一种利用果渣制备的三维多孔生物质碳纳米材料及制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种利用果渣制备的三维多孔生物质碳纳米材料及制备方法和应用，属于钠离子电池电极材料制备技术领域。首先通过水热制备出活化的果渣前驱体，经过浓缩后，直接通过管式气氛炉，制备出具有三维多孔的纳米结构生物质活性炭材料。本发明制备方法简单，均一性好，过程易控，产物的重复性高，有利于规模化生产。经本发明方法制得三维多孔生物质碳纳米材料表现出优异的导电性、循环稳定性和高的放电比容量，能够作为钠离子电池负极材料广泛使用。
【专利说明】
一种利用果渣制备的三维多孔生物质碳纳米材料及制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明属于钠离子电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种利用果渣制备的三维多孔生物质碳纳米材料及制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]目前，锂离子电池在我们生活中占主导地位，但是随着电池业、智能电网的发展，有限的锂资源将无法满足人们对其的需求。由于钠资源丰富，并且开发成本低，且钠与锂是同主族元素，所以它是很好的能替代锂离子的资源之一。通常锂电池是以石墨作为负极，但是当石墨用于钠离子电池时，由于钠离子的半径较大，并不能很好的在石墨层中进行可逆的脱嵌，所以它表现出的电化学性能不是很好，容量大约有25mAh g—1。钠离子电池中研究较多的碳负极材料为硬碳，一般硬碳类材料的容量大约能达到10mAh g—1C3 [Lotfabad，E.M.，Ding,J.,Cui,Κ.,Kohandehghan,A.,Kalisvaart,ff.P.,Hazelton，Μ.,&Mitlin,D.(2014).High-density sodium and lithium 1n battery anodes from banana peels.AcsNano,8(7),7115-7129.]
[0003]随着人们生活质量的提高以及果汁厂的增加，越来越多的废弃果渣，由于处理方式不当，导致了大量的细菌繁殖，对环境造成破坏。在2000年左右，果渣曾一度对江河、土壤、空气造成了很严重的污染，近年来，为了减少果渣所产生的危害，果渣的二次利用越来越受到人们重视。但是目前主要是对其进行粗放的处理方式，如晾晒、粉碎等加工成动物饲料或者肥料，利用果渣来酿酒，制作果酱等。[李巨秀，李志西，杨明泉，&贾爱娟.(2002).果渣资源的综合利用.《西北农林科技大学学报》，自然科学版，(zl )，103-106.]。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种利用果渣制备的三维多孔生物质碳纳米材料及制备方法和应用，该方法具有操作简单、产率高、能耗低、重复性好等特点，用该方法制得的三维多孔生物质碳纳米材料制备的钠离子电池负极材料具有放电比容量高，循环稳定性好等特点。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0006]本发明公开了一种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0007]I)按苹果果渣与KOH=1:(0.3?1.5)的质量比，取苹果果渣和Κ0Η，充分混匀后，进行水热反应；
[0008]2)水热反应结束后，冷却至室温，将所得产物加热浓缩，制得前驱体；
[0009]3)在氩气气氛下，将前驱体以5?15°C/min的升温速度，自室温起升温至60?100°C，保温0.3?0.7h，然后以5?15°C/min升温至500?900°C，并保温I.5?3.5h;
[0010]4)将步骤3)制得的产物清洗、干燥，制得三维多孔生物质碳纳米材料。
[0011]步骤I)所述水热反应，是将苹果果渣和KOH充分混匀后，置于反应釜中，以5?15°C/min的升温速度，自室温起升至160?200°C，保温18?30h。
[0012]步骤3)中，氩气的体积流量控制在20?lOOsccm。
[0013]步骤4)所述的清洗是将产物用去离子水和无水乙醇依次清洗2?6次。
[0014]步骤4)所述的干燥是在50?90°C下，干燥12?24h。
[0015]本发明还公开了采用上述方法制得的三维多孔生物质碳纳米材料。
[0016]本发明还公开了上述三维多孔生物质碳纳米材料在制备钠离子电池电极材料中的应用。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0018]本发明公开的利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，利用果渣为生物质源通过水热、碳化后，得到三维多孔结构的碳纳米材料。该方法通过在水热时加入KOHjK热时可去除果渣中糖类、可溶性物质，还起到活化作用以及初步造孔作用，通过浓缩，进而直接进行管式气氛炉碳化，无需再加入其它造孔剂，在水热完成后直接浓缩水热产物，通过合理控制氩气的条件，以一定速率升温合成三维多孔纳米碳结构材料。本发明方法合成出的三维多孔生物质碳纳米材料与传统结构二维结构有很大的区别，其具有三维空间结构，较大的孔洞直径，从而给钠离子提供了足够大的反应微空间，使其可以很容易进行脱嵌，并且三维结构很好的避免了其在嵌脱过程中发生结构的坍塌，提高了材料的循环稳定性和导电性。本发明制备方法简单，均一性好，过程易控，产物的重复性高，有利于规模化生产。
[0019]经本发明方法制得的三维多孔生物质碳纳米材料表现出优异的导电性、循环稳定性和高的放电比容量，能够作为钠离子电池负极材料广泛使用。
【附图说明】
[0020]图1为制备的三维多孔生物质碳纳米材料的XRD图；
[0021]图2为制备的三维多孔生物质碳纳米材料的电镜照片;其中，(a)为的FESEM图，(b)为HRTEM图；
[0022]图3为制备的三维多孔生物质碳纳米材料用于钠离子电池的循环性能测试图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0024]实施例1
[0025]一种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0026]I)前驱体生物质碳的制备
[0027]①称取3.5g经洗涤干燥后的苹果果渣与1.05g KOH混合，加入50ml蒸馈水于反应爸中，充分混合、搅拌；
[0028]②以5°C/min的升温速率升至160°C，保温18h;
[0029]③反应结束后冷却至室温;将产物蒸发浓缩，制得生物质碳前驱体。
[0030]2)多孔三维生物质碳的制备
[0031]①称取Ig的生物质碳前驱体于瓷舟中，并将瓷舟置于管式气氛炉中；
[0032]②通入体积流量为20sccm的氩气，以5°C/min的升温速度升温至60°C，保温0.7h;
[0033]③以5°C/min的升温速度，自60°C起升温至500°C，保温3.5h后开始冷却至室温；
[0034]④将产物用去离子水清洗2遍，用无水乙醇清洗2遍，在50°C条件下真空干燥12h，即得到最终产物三维多孔生物质碳。
[0035]参见图1，从图1可得，2-theta角在25°左右时出现标准的“慢头”状峰，可以确定其为非定形态。
[0036]参见图2，(a)为生物质碳的FESEM图，从中可以看出其为三维连通结构，具有丰富的孔洞结构，孔径约为500nm，且尺寸分布均匀，分散性较好Jb)为HRTEM图，从中可以看出，其孔径约为500nm，且尺寸分布均匀，分散性较好，这为Na+的嵌入和脱出提供了良好的条件。
[0037]实施例2
[0038]一种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0039]I)前驱体生物质碳的制备
[0040]①称取4.5g经洗涤干燥后的苹果果渣与2.25g KOH混合，加入50mL蒸馏水于反应爸中，充分混合、搅拌；
[0041 ] ②以7°C/min的升温速率升至170°C，保温21h;
[0042]③反应结束后冷却至室温;将产物蒸发浓缩，制得生物质碳前驱体。
[0043]2)多孔三维生物质碳的制备
[0044]①称取2g的生物质碳前驱体于瓷舟中，并将瓷舟置于管式气氛炉中；
[0045]②通入体积流量为40sccm的氩气，以7°C/min的升温速度升温至70°C，保温0.6h，以去除掉样品中残留的水分；
[0046]③以7°C/min的升温速度，自70°C起升温至600°C，保温3.0h后开始冷却至室温；
[0047]④将产物用去离子水清洗3遍，用无水乙醇清洗3遍，在60°C条件下真空干燥15h，即得到最终产物三维多孔生物质碳。
[0048]实施例3
[0049]—种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，包括以下步骤:I)前驱体生物质碳的制备
[0050]①称取5.5g经洗涤干燥后的苹果果渣与3.85g KOH混合，加入50ml蒸馏水于反应爸中，充分混合、搅拌；
[0051 ] ②以1tVmin的升温速率升至180。(:，保温2411;
[0052]③反应结束后冷却至室温;将产物蒸发浓缩，制得生物质碳前驱体。
[0053]2)多孔三维生物质碳的制备
[0054]①称取3g的生物质碳前驱体于瓷舟中，并将瓷舟置于管式气氛炉中；
[0055]②通入体积流量为60sccm的氩气，以10°C/min的升温速度升温至80°C，保温0.5h，以去除掉样品中残留的水分；
[0056]③以10°C/min的升温速度，自80°C起升温至700°C，保温2.5h后开始冷却至室温；
[0057]④将产物用去离子水清洗4遍，用无水乙醇清洗4遍，在70°C条件下真空干燥18h，即得到最终产物三维多孔生物质碳。
[0058]实施例4
[0059]一种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0060]I)前驱体生物质碳的制备
[0061]①称取6.5g经洗涤干燥后的苹果果渣与5.85g KOH混合，加入50ml蒸馈水于反应爸中，充分混合、搅拌；
[0062]②以12cC/min的升温速率升至190cC，保温27h;
[0063]③反应结束后冷却至室温;将产物蒸发浓缩，制得生物质碳前驱体。
[0064]2)多孔三维生物质碳的制备
[0065]①称取4g的生物质碳前驱体于瓷舟中，并将瓷舟置于管式气氛炉中；
[0066]②通入体积流量为80sccm的氩气，以12°C/min的升温速度升温至90°C，保温0.4h，以去除掉样品中残留的水分；
[0067]③以12°C/min的升温速度，自90°C起升温至800°C，保温2.0h后开始冷却至室温；
[0068]④将产物用去离子水清洗5遍，用无水乙醇清洗5遍，在80°C条件下真空干燥21h，即得到最终产物三维多孔生物质碳。
[0069]实施例5
[0070]一种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0071]I)前驱体生物质碳的制备
[0072]①称取7.5g经洗涤干燥后的苹果果渣与11.25g KOH混合，加入50ml蒸馏水于反应爸中，充分混合、搅拌；
[0073]②以15°C/min的升温速率升至20(TC，保温30h;
[0074]③反应结束后冷却至室温;将产物蒸发浓缩，制得生物质碳前驱体。
[0075]2)多孔三维生物质碳的制备
[0076]①称取5g的生物质碳前驱体于瓷舟中，并将瓷舟置于管式气氛炉中；
[0077]②通入体积流量为lOOsccm的氩气，以15°C/min的升温速度升温至100°C，保温
0.3h，以去除掉样品中残留的水分；
[0078]③以15 °C /min的升温速度，自100 °C起升温至900 °C，保温I.5h后开始冷却至室温；
[0079]④将产物用去离子水清洗6遍，用无水乙醇清洗6遍，在90°C条件下真空干燥24h，即得到最终产物三维多孔生物质碳。
[0080]参见图3，从图3可得，制得的三维多孔结构的活性碳材料在电流密度100mA/g测得其可逆容量为335mAh/g，循环80圈后其容量依然保持在203mAh/g，其库伦效率保持在99.0 %左右，表明该三维结构的生物质活性炭具有较高的放电比容量和稳定的循环性能。
[0081]综上所述，本发明方法设计思路新颖，通过水热一管式气氛炉反应法，以及对惰性气体的控制、对其他因素的控制，制备出多孔的三维结构的生物质活性炭，从而给予离子充足的反应微空间，并且提高了材料的循环稳定性。同时此外，本发明制备过程易控，周期短，产物的重复性高，产率大，有利于规模化生产。经该方法制得的生物质活性碳用于钠离子电池负极材料具有稳定三维空间结构，丰富的孔洞结构，而且其放电比容量高，循环稳定性好，库伦效率高等特点。
【主权项】
1.一种利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)按苹果果渣与KOH=1: (0.3?1.5)的质量比，取苹果果渣和Κ0Η，充分混匀后，进行水热反应； 2)水热反应结束后，冷却至室温，将所得产物加热浓缩，制得前驱体； 3)在氩气气氛下，将前驱体以5?15°C/min的升温速度，自室温起升温至60?100°C，保温0.3?0.7h，然后以5?15°C/min升温至500?900°C，并保温1.5?3.5h； 4)将步骤3)制得的产物清洗、干燥，制得三维多孔生物质碳纳米材料。2.根据权利要求1所述的利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤I)所述水热反应，是将苹果果渣和KOH充分混匀后，置于反应釜中，以5?15°C/min的升温速度，自室温起升至160?200°C，保温18?30h。3.根据权利要求1所述的利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤3)中，氩气的体积流量控制在2 O?1 O s c cm。4.根据权利要求1所述的利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤4)所述的清洗是将产物用去离子水和无水乙醇依次清洗2?6次。5.根据权利要求1所述的利用果渣制备三维多孔生物质碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤4)所述的干燥是在50?90 0C下，干燥12?24h。6.采用权利要求1?5中任意一项所述方法制得的三维多孔生物质碳纳米材料。7.权利要求6所述的三维多孔生物质碳纳米材料在制备钠离子电池电极材料中的应用。
【文档编号】C01B31/02GK105914372SQ201610473908
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】许占位, 付豪, 孔硌, 沈学涛, 黄剑锋, 曹丽云, 李瑞梓, 李钊
【申请人】陕西科技大学