一种高比表面积生物质基活性炭材料及其应用

本发明涉及活性炭材料制备，具体涉及一种高比表面积生物质基活性炭材料及其应用。

背景技术：

1、随着社会的不断发展和人民绿色环保意识的不断提高，气候异常和能源紧张的问题日益突出，同时，行将枯竭的化石能源、日益恶化的生存环境与快速发展的全球经济的矛盾也逐渐显现，因此开发高效的绿色能源并发展新型储能设备显得尤其重要。

2、超级电容器由于具有功率密度高、充放电速率快、循环寿命长的优点，被认为是最有市场前景的、环境有好的、可持续发展的清洁能源和储能装置之一。目前新能源是我国的重点发展领域，新能源汽车等新兴产业都急需探索大容量超级电容储能装备；超级电容器比同期其他新型材料在应用上更具优势，但超级电容器的主要材料—活性炭的市场价格一直居高不下，导致其成本较高，这也导致电容器在很多领域备受冷落；超级电容器的关键技术仍需行业内企业的不断创新与突破，如何获得高性能、低成本炭材料将成为技术攻关的关键。

3、我国生物质资源储量丰富，但整体利用率不足10%；牡丹花是一种观赏植物，其除用作观赏外，主要作为废弃物舍弃，造成了严重的资源浪费。当前牡丹在化工行业主要用于护肤品，香料香氛和天然染色剂，在食品行业也仅用于酿酒和保健食品，产生了大量牡丹废料。牡丹生物质废料，包括牡丹花粉、花瓣和籽粕，这些废料是很好的炭材料前驱体，其富含的氨基酸能够在炭化过程中对炭材料进行原位氮元素掺杂，同时文献调研发现，n原子能够自行掺杂取代碳材料中某些碳原子，不仅会明显影响骨架结构，还因为n原子上的一对孤对电子而增强材料的导电性，提供更多的活性位点，从而达到良好的电化学性能。本发明还以koh为活化剂，koh活化效果极佳，这是因为升温过程中产生的k以蒸汽形式扩散，填充到不同的碳层，形成k插层，破坏石墨化微晶结构，导致芳香层发生扭曲形变并且刻蚀，孔径增大，为碳材料提供了大量比表面积，大孔容、高比表面直接实现了活性炭电极的高电容，可应用于高性能超级电容器电极材料，大大降低其电极材料制备成本，制备流程简单高效，所得电极材料可降解从而达到零污染绿色环保的效果。

4、金小青等人以玉米秸秆为碳源，经na2co3溶液浸泡预处理后，采用koh活化，制备了多孔生物质碳材料，预处理是为了改善木质素纤维结构，但是制备流程时间长，预处理过程复杂。为了实现大孔径高比表面积，谈强等人以中药渣为碳源，采用koh辅助活化制备了具有超高比表面积的中药渣活性炭吸附剂，koh活化是为了改善材料孔洞结构，但是koh与碳源的质量比达到了5，增加了生产成本。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供了一种高比表面积生物质基活性炭材料及其应用，以牡丹废料为碳源，提高对牡丹生物质资源的利用率，降低生产成本。生物质基活性炭材料一般需要按照与碳源1：1的质量比外加氮掺杂剂，按照优化制备流程，充分利用牡丹自身富含的氨基酸与良好的木质素纤维结构，节省了预处理与外加氮掺杂的流程，使制备流程更加简短高效，并且实现了高比表面积与高孔容。以工业尿素为氮掺杂剂计算，每吨牡丹废料节省大约价值2500元的氮掺杂剂。碳源与氢氧化钾质量比为1:1-2，氢氧化钾用量减少，降低生产成本；研究检测电化学性能，应用于超级电容器电极材料。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种高比表面积生物质基活性炭材料，制备方法如下：

4、步骤一：将牡丹废料用无水乙醇浸泡，再用清水洗涤干净，再用烘箱烘干，然后粉碎至200目以下得到原料a；

5、步骤二：将原料a在3-7 ℃/min的炭化升温速率下升温至300-500 ℃，在该温度下进行2-4小时的炭化，炭化在隔绝空气的条件下进行；得到炭材料b；

6、步骤三：将炭材料b与氢氧化钾按照质量比1:1-3进行混合，然后在4-8℃/min的升温速率下升温到600-900℃，在该温度下隔绝空气活化2-5小时；得到混合炭材料c；

7、步骤四：将100 ml去离子水，10 ml 38 %盐酸溶液和5 ml过氧化氢混合，即为配置的过氧化氢溶液；将得到的混合炭材料c依次经过30 %盐酸溶液和配置过氧化氢溶液洗涤，即得高比表面积生物质基活性炭材料。

8、优选的，在步骤一种，牡丹废料为牡丹花粉、花瓣和籽粕中的一种或多种组合。

9、将上述高比表面积生物质基活性炭材料进行应用，具体为在超级电容器电极材料中的应用。

10、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

11、1、使用本发明方法得到的高比表面积生物质基活性炭材料，比表面积为665.9803-2016.7323 cm2/g、总孔容为0.339342-1.222827 cm3/g、微孔的总体积为0.219524-0.465892 cm3/g。

12、2、本发明得到的高比表面积生物质基活性炭材料，经检测后，比电容最高达到303f/g；该材料在经过3750次充放电循环后，电极材料比电容为初始电容的98.73 %；表明该高比表面积生物质基活性炭材料在碱性环境中较好的稳定性，能够在超级电容器电极材料中应用。

13、3、本发明提供的高比表面积生物质基活性炭材料，在制备过程中充分利用牡丹自身富含的氨基酸与良好的木质素纤维结构，节省了预处理与外加氮掺杂的流程，使制备流程更加简短高效；碳源与氢氧化钾质量比为1:1-2，相较于现有技术，氢氧化钾用量减少，降低生产成本。

技术特征：

1.一种高比表面积生物质基活性炭材料，其特征在于，制备方法如下：

2.如权利要求1所述的高比表面积生物质基活性炭材料，其特征在于，在步骤一中，牡丹废料为牡丹花粉、花瓣和籽粕中的一种或多种组合。

3.将权利要求1或2所述的高比表面积生物质基活性炭材料进行应用，其特征在于，具体为在超级电容器电极材料中的应用。

技术总结
本发明提供了一种高比表面积生物质基活性炭材料及其应用，该生物质基活性炭材料以牡丹废料为碳源，提高对牡丹生物质资源的利用率，降低生产成本。优化制备流程，充分利用牡丹自身富含的氨基酸与良好的木质素纤维结构，节省了预处理与外加氮掺杂的流程，使制备流程更加简短高效。碳源与氢氧化钾质量比为1:1‑3，氢氧化钾用量减少，降低生产成本；研究检测电化学性能，应用于超级电容器电极材料。

技术研发人员：马庆霖,李月,王岱杰,张洪向,朱慧霞,程伟
受保护的技术使用者：山东省科学院菏泽分院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16