一种生物质基多孔炭电极材料及其制备方法与应用

本发明属于生物质多孔炭材料及电化学，具体涉及一种木糖渣基多孔炭电极材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的日益重视，超级电容器作为高性能能量存储设备备受关注。超级电容器具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电特性，可以有效地弥补传统蓄电池在高功率应用方面的不足。为了提高超级电容器的性能，寻找新型的电极材料成为研究的热点之一。生物质多孔炭作为一种电极材料，在超级电容器领域展示出了广阔的应用前景。

2、生物质多孔炭作为电极材料具有许多优异的性能。首先，生物质多孔炭具有高比表面积和丰富的孔隙结构，可以提供更多的表面活性区域和离子传输通道，增加电极与电解质的接触面积，从而提高电容器的能量存储能力。其次，生物质多孔炭具有良好的导电性和化学稳定性，可以实现高速充放电，同时具有较长的循环寿命。此外，生物质多孔炭还具有可再生性、环境友好性和低成本等优点，有助于实现可持续能源存储和保护环境。然而现有的生物质多孔碳作为电极材料存在电导率低、稳定性差、比电容小等问题。

3、木糖渣是一种常见的生物质副产物，它是由玉米芯产生木糖后得到的的固体废弃物，其主要成分是纤维素和木质素，并含有少量的半纤维素。木糖的生产会产生大量的木糖渣，其中大部分都没有得到有效利用。有效利用木糖渣可以实现对生物质资源的综合利用，减少环境污染。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种生物质木糖渣衍生多孔炭电极材料及其制备方法。本发明的生物质基多孔炭利用木糖渣作为原料，廉价易得，通过水热处理实现多孔炭前驱体的低温制备，并在此基础上采用具有弱碱性的钾盐碳酸钾作为活化剂制备的多孔炭，所获得的多孔炭材料结构稳定、比表面积大、比电容较高，改善了传统多孔炭的制备工艺，绿色环保，实现了木糖渣的资源化利用。

2、本发明的另一目的在于提供上述生物质木糖渣基多孔炭电极材料的应用。所述木糖渣基多孔炭电极材料用于制备超级电容器电极。

3、本发明目的通过以下技术方案实现：

4、一种生物质木糖渣基多孔炭电极材料的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将生物质原料木糖渣粉碎处理，烘干；

6、(2)将干燥后的木糖渣进行水热反应，过滤，洗涤，烘干，获得木糖渣水热炭；

7、(3)将木糖渣水热炭与碳酸钾混匀，在保护性氛围下进行高温活化，酸洗，水洗，烘干，获得木糖渣基多孔炭电极材料。

8、步骤(2)中所述洗涤是指采用乙醇和水洗涤，所述烘干的温度为80～110℃。

9、步骤(2)中所述水热反应的条件：水热反应的温度为220～260℃，优选为240～260℃，水热反应的时间为2～8h，优选为4～8h。

10、在进行水热反应时，木糖渣与水的质量比为1:(10～15)；木糖渣与水超声20～30min充分混合。

11、步骤(1)所述烘干的温度为80～110℃。

12、步骤(3)中水热炭和碳酸钾的质量比为1:(1～6)。

13、步骤(3)中所述高温活化的条件为：高温活化的温度为600～900℃，优选为700～900℃，高温活化的时间为1～3h。

14、高温活化时升温速率为5℃/min。所述保护性氛围为氮气或氩气氛围。

15、所述酸洗采用1～2mol/l的稀盐酸酸洗。步骤(3)中所述烘干的温度为80～110℃。

16、所述木糖渣基多孔炭电极材料用于制备电极。

17、所述电极的制备方法，包括以下步骤：

18、(1)将聚四氟乙烯水乳液分散于乙醇中，加入木糖渣基多孔炭和科琴黑混合均匀，得到浆料；

19、(2)将浆料涂覆到裁剪好的泡沫镍集流体上，烘干，压实，获得多孔炭电极。

20、步骤(1)中所述聚四氟乙烯乳液的质量分数为60％；多孔炭、科琴黑和聚四氟乙烯乳液的质量比为8:1:1；

21、步骤(2)中所述烘干温度为80～110℃，时间为6～10h；所述压实的压力为10～20mpa；所涂覆的多孔炭质量约为2～4mg。

22、所述木糖渣基多孔炭电极用于超级电容器。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

24、(1)本发明的木糖渣基多孔炭电极材料利用木糖渣作为生物质原料，产量大，廉价易得，实现了木糖渣的资源化利用。

25、(2)本发明通过温和的水热碳化在低温条件下制备了多孔炭前驱体，再对其进行活化，克服了预碳化温度高、能耗大的缺陷。

26、(3)本发明活化过程采用的活化剂为碳酸钾，无毒无害且价格便宜，有效取缔了具有强腐蚀性和毒性的活化剂，有利于规模化工业生产。

27、总之，本发明所获得多孔炭结构稳定，比表面积大，所制备电极具有较高的容量及优异的循环稳定性；制备方法绿色环保，实现了木糖渣的资源化利用。

技术特征：

1.一种生物质木糖渣基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述生物质木糖渣基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述水热反应的条件：水热反应的温度为240～260℃，水热反应的时间为4～8h；

3.根据权利要求1所述生物质木糖渣基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中水热炭和碳酸钾的质量比为1:(1～6)。

4.根据权利要求1所述生物质木糖渣基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述生物质木糖渣基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：高温活化时升温速率为5℃/min；所述保护性氛围为氮气或氩气氛围；

6.一种由权利要求1～5任一项所述制备方法得到的生物质木糖渣基多孔炭电极材料。

7.根据权利要求6所述生物质木糖渣基多孔炭电极材料的应用，其特征在于：所述木糖渣基多孔炭电极材料用于制备电极。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述电极的制备方法，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：步骤(1)中所述聚四氟乙烯乳液的质量分数为60％；多孔炭、科琴黑和聚四氟乙烯乳液的质量比为8:1:1；

10.一种电极在超级电容器中的应用，其特征在于：所述电极如权利要求7～9任一项所定义。

技术总结
本发明属于电极材料的技术领域，公开了一种生物质基多孔炭电极材料及其制备方法与应用。方法：1)将生物质原料木糖渣粉碎处理，烘干；2)将干燥后的木糖渣进行水热反应，过滤，洗涤，烘干，获得木糖渣水热炭；水热反应的温度为220～260℃，水热反应的时间为2～8h；3)将木糖渣水热炭与碳酸钾混匀，在保护性氛围下进行高温活化，酸洗，水洗，烘干，获得木糖渣基多孔炭电极材料。本发明的电极材料所制作的电极用于超级电容器。本发明方法绿色环保，原料廉价易得，实现了木糖渣的资源化利用；所制备的木糖渣基多孔炭材料结构稳定，比表面积大；其制备的电极容量大，稳定性好。

技术研发人员：常杰,邱帅帅,张瑞珂,付严
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15