一种利用槐叶萍制备多孔生物质基电极材料的方法

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种利用槐叶萍制备多孔生物质基电极材料的方法。

背景技术：

随着全球经济高速增长，化石能源的过度开采及使用，造成环境污染和能源枯竭等问题日益严重。近年来，有学者提出能源结构战略性调整方案，即通过不断削减化石能源的使用占比，同时提升风能、太阳能、潮汐能等清洁型能源所占比重，以期解决此类问题。然而由于自然环境中所存在的大量不确定性因素影响，导致能源存储往往无法达到预期效果，故需要一种新型、环保、高效的设备来实现能源的存储与转化。

超级电容器是介于传统电容器和化学电池的新型储能器件，其遵循与传统电容器相同的基本原理，具有传统电容器充放电速度快、循环寿命长、功率密度高、使用温度范围宽等特性。与传统电容器相比，超级电容器的电极具有更高的比表面积与更薄的电介质，因此其比电容远高于传统电容器。

生物碳基材料作为超级电容器最常用的电极材料之一，具有稳定的物理化学性能、发达的孔隙结构、广泛的原材料来源等优势。研究表明，电极的性能主要受限于电极材料的比表面积、孔径分布以及表面官能等因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用槐叶萍制备多孔生物质基电极材料的方法，利用槐叶萍的超积累特性进行重金属富集，制备出的电极材料具有大的比表面积及优异的电化学性能。

本发明所采用的技术方案是，一种利用槐叶萍制备多孔生物质基电极材料的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，选取生长状况相似的槐叶萍幼株，并在配制的富集营养液中培育7-30天，每5-7日更换一次富集营养液；

步骤2，将经步骤1后得到槐叶萍去除根部并使用去离子水浸泡，之后使用去离子水冲洗数次，烘干，得到烘干样品；

步骤3、将经步骤2后得到的烘干样品转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉中进行预碳化，得到预碳化槐叶萍；

步骤4、将经步骤3后得到的预碳化槐叶萍与koh混合，进行研磨，之后转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉中进行碳化，得到多孔生物质基电极材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中，富集营养液由质量比为2-80：2-80：2-80：2-80：0.01-50：0.01-50：0.01-50：0.01-50：2-80：100的k2so4、nh4h2po4、mgso4、feso4、mncl2·4h2o、cuso4·5h2o、znso4、cocl2·6h2o、cacl2和去离子水配制而成。

步骤2中，浸泡时间为2-10min，烘干温度为60-90℃，干燥时间为12-24h。

步骤3中，预碳化条件为：在氮气氛围下，氮气的流量为60-120ml/min，以1-5℃/min的速率升温至500℃，保温60-120min，随后以0.5-2℃/min的降温速率冷却至室温。

步骤4中，预碳化槐叶萍与koh的质量比为1：1-6。

步骤4中，碳化条件为：在氮气氛围下，氮气的流量为60-120ml/min，以1-5℃/min的速率升温至800℃，保温60-120min，随后以0.5-2℃/min的降温速率冷却至室温。

本发明的有益效果是：本发明使用槐叶萍作为碳源，利用槐叶萍的超积累特性富集特定金属，并经过两步法碳化，得到比表面积大、孔径分布合理、富集金属含量高的多孔生物质基电极材料；此外，该方法制备工艺简便且绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例1所得的多孔生物质基电极材料的恒电流充放电测试谱图(gcd)；

图2为对照组多孔生物质基电极材料的恒电流充放电测试谱图(gcd)；

图3为本发明实施例2所得的多孔生物质基电极材料的电化学阻抗谱图(eis)；

图4为对照组多孔生物质基电极材料的电化学阻抗谱图(eis)。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细说明。

本发明一种利用槐叶萍制备多孔生物质基电极材料的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，选取生长状况相似的槐叶萍幼株，并在配制的富集营养液中培育7-30天，每5-7日更换一次富集培养液；

富集营养液由质量比为2-80：2-80：2-80：2-80：0.01-50：0.01-50：0.01-50：0.01-50：2-80：100的k2so4、nh4h2po4、mgso4、feso4、mncl2·4h2o、cuso4·5h2o、znso4、cocl2·6h2o、cacl2和去离子水配制而成；

步骤2，将经步骤1后得到槐叶萍去除根部并使用去离子水浸泡，浸泡时间为2-10min，之后使用去离子水冲洗2-3次，沥水后置于烘箱中进行烘干，得到烘干样品；

烘干温度为60-90℃，干燥时间为12-24h，

步骤3、将经步骤2后得到的烘干样品转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉中进行预碳化，得到预碳化槐叶萍；

预碳化条件为：在氮气氛围下，以1-5℃/min的速率升温至500℃，保温60-120min，随后以0.5-2℃/min的降温速率冷却至室温；

氮气的流量为60-120ml/min；

步骤4、将经步骤3后得到的预碳化槐叶萍与koh混合，使用研钵进行充分研磨；研磨所得混合物转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉中进行碳化，得到多孔生物质基电极材料；

预碳化槐叶萍与koh的质量比为1：1-6；

碳化条件为：在氮气氛围下，以1-5℃/min的速率升温至800℃，保温60-120min，随后以0.5-2℃/min的降温速率冷却至室温；氮气的流量为60-120ml/min。

实施例1

本实施例的多孔生物质基电极材料制备过程如下：称取k2so4500mg、nh4h2po4200mg、mgso4500mg、feso410mg、mncl2·4h2o10mg、cuso4·5h2o10mg、znso410mg、cocl2·6h2o10mg、cacl2800mg，使用1000ml去离子水配制富集营养液。选取生长状况相似的槐叶萍幼株在所配制的富集营养液中培育15天，每5日更换一次富集培养液。选取所培育槐叶萍100g，去除槐叶萍根部后将叶片使用去离子水浸泡5min并冲洗3次，随后将槐叶萍样品放入80℃烘箱中烘干12h；之后将干燥的样品转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉，通入氮气，氮气流速80ml/min，设置升温程序，升温速率为5℃/min，温度上升到500℃，保温60min，随后以0.5℃/min的降温速率降至室温，得到预碳化槐叶萍样品；将质量比为1：3的预碳化槐叶萍样品与koh进行混合，使用研钵研磨至粉末状，随后将粉末转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉，通入氮气，氮气流速80ml/min，设置升温程序，升温速率为5℃/min，温度上升到800℃，保温60min，随后以0.5℃/min的降温速率降至室温，得到多孔生物质基电极材料，将其命名为ahc；作为对照组，槐叶萍不使用富集培养液，使用去离子水培育的槐叶萍进行碳化得到的电极材料命名为hc。

对所得制品进行电化学性能测定，其中ahc与hc的恒电流充放电测试谱如图1及图2所示，两曲线均呈现近似对称的等腰三角形，说明ahc与hc两个电极在应用中都具有较好的可逆性。ahc电极的充放电时间明显大于hc电极的充放电时间，说明通过将植株在富集营养液中进行金属的超积累培育，ahc具有更高的比电容，电极的性能得到了提高，通过计算得到ahc比电容705fg^-1，高于hc的319fg^-1。

实施例2

本实施例的多孔生物质基电极材料制备过程如下：称取k2so4500mg、nh4h2po4200mg、mgso4500mg、feso410mg、mncl2·4h2o10mg、cuso4·5h2o10mg、znso410mg、cocl2·6h2o10mg、cacl2800mg，使用1000ml去离子水配制富集营养液。选取生长状况相似的槐叶萍幼株在所配制的富集营养液中培育15天，每5日更换一次富集培养液。选取所培育槐叶萍100g，去除槐叶萍根部后将叶片使用去离子水浸泡5min并冲洗3次，随后将槐叶萍样品放入80℃烘箱中烘干12h；之后将干燥的样品转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉，通入氮气，氮气流速80ml/min，设置升温程序，升温速率为5℃/min，温度上升到500℃，保温60min，随后以0.5℃/min的降温速率降至室温，得到预碳化槐叶萍样品；将质量比为1：2的预碳化槐叶萍样品与koh进行混合，使用研钵研磨至粉末状，随后将粉末转移到刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉，通入氮气，氮气流速80ml/min，设置升温程序，升温速率为5℃/min，温度上升到800℃，保温60min，随后以0.5℃/min的降温速率降至室温，得到多孔生物质基电极材料，将其命名为ahc1；作为对照组，槐叶萍不使用富集培养液培育，使用去离子水培育的槐叶萍进行碳化得到的电极材料命名为ec；

所得的两种材料用于超级电容器的电极材料，所得材料进行洗涤干燥得到活化的碳基超级电容器电极材料。并将活性材料：乙炔黑：聚四氟乙烯悬浮液以80：15：5的比例制成泥浆状混合物，之后均匀涂覆与泡沫镍表面，烘干后取负载量相似的电极进行压片，在5mpa压力下热压成超级电容器，使用辰华660e电化学工作站对其电化学性能进行表征，电解质为koh溶液，对该电极进行电化学阻抗谱测试，结果如图3与4所示，由图可知，在高频区，谱图的在x轴上的截距称作等效电阻，包括电解液电阻、活性材料、基底内部电阻以及活性材料与集流体的接触电阻。同时图像的斜率可以清楚的观察出电极材料离子转移的能力，斜率越大，离子转移能力越大。其中ahc1的等效电阻约为0.6ω，小于ec等效电阻2.9ω，说明ahc1有着更好的离子转移能力。同时由于电极和电解液形成双电层引起的高频区的小半圆图像的出现，小半圆的直径表示电子的转移电阻，可以观察ahc1半圆直径明显小于ec，表明ahc1的电子转移电阻更小，更有利于电子的快速通过。

本发明方法，使用槐叶萍作为碳源，利用槐叶萍的超积累特性富集特定金属，得到比表面积大、孔径分布合理、富集金属含量高的多孔生物质基电极材料；此外，制备方法简便且绿色环保。