玉米皮基三维多级孔结构碳材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于三维多级孔结构碳材料；具体涉及玉米皮基三维多级孔结构碳材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]三维多级孔碳(3D-HPCS)作为一类新颖的电极碳材料和吸附材料引起了广泛研宄者重视和关注。3D-HPCS具有独特的孔结构和拓扑结构，在上述应用领域展现出许多优点，包括:(1)相互连通的大孔、介孔和微孔孔结构；⑵高比表面；(3)连续的电子传递路径；(4)孔径分布窄。其中，互相连通的多级孔结构有益于离子的快速传递，高比表面积可提供广阔的活性界面，具有优越的电化学性能和吸附性能。
[0003]目前，三维多级孔碳的制备方法主要采用硬模板法和软模板法，对于硬模版法存在模板制备和除去过程复杂繁琐、耗时、二次污染环境等缺点；而对于软模板法，存在模板剂价格昂贵、碳源要求苛刻和合成时间长等问题。该两种方法的上述缺陷，导致所制备的多级孔碳材料的性价比非常低，在一定程度上阻碍了工业化的应用。因此，探索一种简单的、环保的无模板法制备多级孔碳的方法，特别是采用可持续的生物质作为低价碳源，具有重要现实意义，更是一个挑战性的工作。
[0004]玉米皮作为一种产量丰富的玉米种植副产物，每年在中国产生1450X 104吨的玉米皮，可作为廉价的生物质碳源制备先进的多级孔碳材料。若成功探索出玉米皮作为碳源制备先进的三维多级孔结构碳材料，将推动三维多级孔碳材料的商业化应用，给农业带来可观的价值和经济效益。
[0005]目前，大部分玉米皮都作为农业废弃物丢掉或烧掉，不仅浪费资源而且污染环境。所以，亟需探索玉米皮的高效利用的方法和工艺，充分利用该可再生生物质资源。到目前为止，采用简单的、易于工业化应用的方法由玉米皮制备三维多级孔碳无人报道。
【发明内容】
[0006]本发明目的是提供了一种利用玉米皮制备的三维多级孔碳材料及其制备方法。本发明采用价格低廉、产量丰富、可再生生物质玉米皮作为碳源，通过简单的、易于工业化的无模板法有效制备三维多级孔结构新型碳材料，解决了模板法过程繁琐、耗时、成本高、难以实现工业化的难题。
[0007]本发明中玉米皮基三维多级孔结构碳材料是将玉米皮依次经剪碎、水洗处理后烘干，然后加入KOH溶液中，再水浴条件下回流，冷却后过筛，然后将固体在高纯氮气气氛下焙烧，然后依次经过盐酸溶液清洗、离心、水洗和烘干处理而成的。
[0008]本发明中玉米皮基三维多级孔结构碳材料的制备方法是按下述步骤进行的:
[0009]步骤一、将玉米皮剪碎，水洗后在100 °C条件下烘干；
[0010]步骤二、按玉米皮与KOH溶液的质量比为1: (10?20)配比将经步骤一处理的玉米皮加入质量浓度为2%?10%的KOH溶液中，然后在60°C?120°C水浴中回流2h?6h(得到褐色胶体状液体)，冷却后用200目不锈钢筛子过滤，留下固体；
[0011]步骤三、将步骤二获得的固体烘干后置于石英管式炉中，在高纯氮气(体积分数为纯度为99.999% )气氛、温度为600?1000°C条件下焙烧I?2h (灰色固体)；
[0012]步骤四然后用盐酸溶液清洗(目的是去除钾盐)，离心，水洗数次后烘干；即得到玉米皮基三维多级孔结构碳材料。
[0013]本发明在多级孔玉米皮基碳材料的合成过程中，KOH起到多重作用:(I)KOH作为预处理剂，将玉米皮中的纤维素与半纤维素/木质素有效分离出来；(2)纤维素中残余的KOH微晶起到制造大孔的作用；(3)K0H作为活化剂造大量微孔，提高碳材料的比表面积。
[0014]本发明玉米皮基三维多级孔碳材料具有许多独特的物理化学性质，其比表面积高达927m2 ^1，相互连通大孔、介孔和微孔孔结构，而且孔径分布集中，含有富集氧功能团，含量为 12wt%? 17wt%。
【附图说明】
[0015]图1为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的SEM照片；图2为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的高倍率SEM照片；图3为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的低倍率TEM照片；图4为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的高倍率TEM照片；图5为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的氮气吸附脱附曲线；图6为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的广角XRD谱图；图7为【具体实施方式】三方法制备的玉米皮基三维多级孔结构碳材料的XPS总谱图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一:本实施方式中玉米皮基三维多级孔结构碳材料的制备方法是按下述步骤进行的:
[0017]步骤一、将玉米皮剪成小碎片，水洗后在100°C条件下烘干；
[0018]步骤二、将5g经步骤一处理的玉米皮加入10mL质量浓度为5%的KOH溶液中，然后在80°C水浴中回流4h (得到褐色胶体状液体)，冷却后用200目不锈钢筛子过滤，留下固体；
[0019]步骤三、将步骤二获得的固体在100°C条件下烘干后置于石英管式炉中，在高纯氮气(体积分数为纯度为99.999% )气氛、温度为800°C条件下焙烧2h (灰色固体)；
[0020]步骤四、然后用浓度为2mol/L的盐酸溶液清洗(目的是去除钾盐)，离心，水洗三次后在120°C条件下烘干12h ;即得到玉米皮基三维多级孔结构碳材料。
[0021]本实施方式得到玉米皮基三维多级孔结构碳材料比表面积为928m2.Ρ，富集氧功能团含量为14.6wt%。
[0022]【具体实施方式】二:本实施方式中玉米皮基三维多级孔结构碳材料的制备方法是按下述步骤进行的:
[0023]步骤一、将玉米皮剪成小碎片，水洗后在100°C条件下烘干；
[0024]步骤二、将5g经步骤一处理的玉米皮加入10mL质量浓度为7%的KOH溶液中，然后在80°C水浴中回流4h (得到褐色胶体状液体)，冷却后用200目不锈钢筛子过滤，留下固体；
[0025]步骤三、将步骤二获得的固体在100°C条