一種玉米芯基多孔碳材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及玉米芯多孔碳材料以及其制備方法，并將制備的多孔碳材料應(yīng)用于超級電容器，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳材料是世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，有很多種形式，包括石墨烯，碳納米管，碳纖維，碳量子點(diǎn)，多孔碳等。而多孔碳作為一種特殊的碳質(zhì)材料，具有發(fā)達(dá)的孔隙、高比表面積、低密度、高導(dǎo)熱性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在很多行業(yè)，例如食品加工、醫(yī)藥、化工、石油、礦山、核電、汽車、真空制造業(yè)、溶液中有機(jī)物和無機(jī)金屬離子的吸附、有毒氣體的吸附、催化劑載體以及超級電容器的電極材料等。
[0003]很多含碳物質(zhì)都可以作為多孔炭的前驅(qū)體，總的來看，多孔炭的前驅(qū)體可以概括為兩大類:⑴含碳的石油化工產(chǎn)品及一些高分子材料，如:煤、石油焦、瀝青、聚乙稀、丙烯腈、酚醛樹脂、炭纖維等；(2)生物質(zhì)基含碳材料，主要是竹、木、果殼、果核、木材加工剩余物等，如:葵花殼、花生殼、橘子皮、豆莢、玉米芯、稻殼、椰殼等。
[0004]隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的煤炭、石油等不可再生資源不斷被消耗，造成資源的短缺。因此我們必須尋找一種新的能源來減少或者替代不可再生資源的消耗。利用可再生的生物質(zhì)做為碳源來代替日益枯竭的化石燃料，是未來全國乃至全球發(fā)展的方向。由于生物質(zhì)價(jià)格低廉、來源廣泛，所以采用生物質(zhì)作為多孔碳材料的原料未來多孔碳材料領(lǐng)域中的重要組成部分。
[0005]生物質(zhì)被認(rèn)為是一種優(yōu)良的碳材料前驅(qū)體，目前已經(jīng)有利用生物質(zhì)制備碳材料的報(bào)道。但是，在目前的研究中，大多數(shù)研究需要通過先低溫預(yù)碳化，再高溫碳化來制備生物制基多孔碳材料，制備過程相對復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種玉米芯基多孔碳材料及其制備方法。為了能夠充分利用生物質(zhì)，本發(fā)明直接利用玉米芯為生物質(zhì)原料，通過一步活化碳化的方法，制備多孔碳材料，并將制備的多孔碳用做超級電容的電極材料，實(shí)現(xiàn)玉米芯生物質(zhì)材料的高值化應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種玉米芯基多孔碳材料的制備方法，包括如下步驟:
[0009](1)將玉米芯洗滌、干燥并破碎；
[0010](2)將破碎過的玉米芯在活化劑的水溶液中活化處理，然后取出干燥；
[0011](3)將干燥后的產(chǎn)物在惰性氣體氛圍下高溫碳化，將碳化后的產(chǎn)物用酸洗滌，再用水洗滌，直到中性，將洗滌后的產(chǎn)物干燥，得到玉米芯基多孔碳材料。
[0012]步驟(1)所述玉米芯先洗滌，再進(jìn)行晾干或干燥處理，并截成一節(jié)一節(jié)；干燥的溫度為50?80°C，也可以自然晾干。所述的破碎可以是用剪切法或粉碎機(jī)粉碎成大塊。
[0013]所述的活化劑為NaOH、KOH、ZnCljP Η孑04中的一種或兩種以上。
[0014]所述活化劑和玉米芯的質(zhì)量比為0.25?4。
[0015]所述活化處理時(shí)間為5?12h。
[0016]所述高溫碳化的條件是碳化溫度為650°C?850°C，處理時(shí)間為1?3小時(shí)；或者先300?400 °C低溫碳化0.5?2h，再650?850 °C高溫碳化1?3h。
[0017]所述高溫碳化的升溫速率為3?10°C /min。
[0018]所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤?，氣體流速為0.5?lL/min。
[0019]步驟⑵干燥的溫度為80?100°C，時(shí)間為6?20h。
[0020]步驟(3)所述最終產(chǎn)物的干燥條件為50?100°C下干燥3?12h。
[0021]步驟(3)所述的洗滌方法為，先用1?5M的鹽酸洗滌3?5次，再用水洗，直到中性。
[0022]上述方法制備的玉米芯基多孔碳材料，其比表面積為:1000?2000m2/g。
[0023]所述的玉米芯基多孔碳材料用于制備超級電容器的電極材料或用于吸附或催化。
[0024]本發(fā)明相對于現(xiàn)有的技術(shù)，有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025](1)本發(fā)明以天然的生物質(zhì)殘?jiān)衩仔緸樵希瑑r(jià)格便宜，量大，是制備生物制基碳材料的理想前驅(qū)體。
[0026](2)本發(fā)明通過“直接活化劑溶液浸泡法”，通過一步碳化法制備多孔碳材料，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)資源的高值化利用。
[0027](3)處理過程簡單，僅需加入少量的活化劑就能得到高比表面積的多孔碳材料，大大減少了活化劑對設(shè)備的腐蝕，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明所制備的玉米芯基多孔碳材料性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛，多孔碳材料能夠用作超級電容器的電極，容量大，穩(wěn)定性好。
【附圖說明】
[0028]圖1為實(shí)施例1制備的玉米芯基多孔碳材料的SEM圖。
[0029]圖2為實(shí)施例2制備玉米芯基多孔碳的XRD圖。
[0030]圖3為實(shí)施例2制備的多孔碳材料的SEM圖。
[0031]圖4為實(shí)施例2制備的多孔碳材料的吸脫附曲線。
[0032]圖5為實(shí)施例2制備的兩電極超級電容的循環(huán)效率圖。
[0033]圖6是實(shí)施例1中沒有添加活化劑制備的玉米芯基多孔碳材料的SEM圖，abed為選取該材料不同部位的形態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。
[0035]實(shí)施例1
[0036]將3g截成短節(jié)的玉米芯用放入燒杯中，加入3g的Κ0Η，再加入少量的水沒過玉米芯，浸泡8h。將其在烘箱內(nèi)80 °C干燥6h，將干燥好的殘?jiān)跉鍤獾姆諊鷥?nèi)，750 °C碳化1.5h，氣體流速為0.5L/min，升溫速率為5°C /min。將得到的產(chǎn)物用2M的鹽酸洗滌5次，再用水洗到中性，80 °C下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料。
[0037]從圖1可以看出，制得的玉米芯基多孔碳材料具有豐富的孔隙，多孔碳材料的比表面積為:1151.2m2/g。
[0038]實(shí)施例2
[0039]將3g截成短節(jié)的玉米芯用放入燒杯中，按質(zhì)量比0.5:1的比例與Κ0Η固體混合，并加水浸泡10h，然后100°C干燥10h。將干燥后的樣品放入舟形樣品槽內(nèi)，在氮?dú)獾姆諊鷥?nèi)，750°C碳化1.5h，氣體流速為0.5L/min，升溫速率為5°C /min。將得到的產(chǎn)物用2M的鹽酸洗滌5次，再用水洗到中性，80°C下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料。
[0040]從圖3可以看出，制得的玉米芯基多孔碳材料具有豐富的孔隙，多孔碳材料的比表面積為:1182.7m2/g。通過該法成功制備出了玉米芯多孔碳材料。
[0041 ] 用制得的玉米芯基多孔碳材料為原料(80wt % )，與乙炔黑(10wt % )和PTFE(10wt% )混合，制成半干漿料，壓在泡沫鎳上(15MPa)，制備成電極，并對其電化學(xué)性能進(jìn)行測試。當(dāng)電流密度為lAg 1時(shí)，電容高達(dá)394.9F*g \循環(huán)充放電10000次以后電容幾乎沒有損失(如圖5)。
[0042]實(shí)施例3
[0043]將3g截成短節(jié)的玉米芯用放入燒杯中，按質(zhì)量比0.5:1的比例與Κ0Η固體混合，并加水浸泡10h，然后100°C干燥8h。將干燥后的樣品放入舟形樣品槽內(nèi)，在氬氣的氛圍內(nèi)，先300°C，碳化lh，升溫速率為5°C /min，再750°C碳化1.5h，氣體流速為0.5L/min，升溫速率為3°C /min。將得到的產(chǎn)物用2M的鹽酸洗滌5次，再用水洗到中性，80°C下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料，其比表面積為:1577.7m2/g。
[0044]實(shí)施例4
[0045]將3g截成短節(jié)的玉米芯用放入燒杯中，將干燥好的殘?jiān)促|(zhì)量比1:1的比例與NaOH固體混合，在氬氣的氛圍內(nèi)，750 °C碳化2h，氣體流速為0.5L/min，升溫速率為5°C /min。將得到的產(chǎn)物用2M的鹽酸洗滌5次，再用水洗到中性，80°C下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料，其比表面積為:1550m2/g。
[0046]實(shí)施例5
[0047]將3g截成短節(jié)的玉米芯用放入燒杯中，將干燥好的殘?jiān)促|(zhì)量比3:1的比例與2冗12固體混合，在氮?dú)獾姆諊鷥?nèi)，750°C碳化2h，氣體流速為0.5L/min，升溫速率為5°C /min。將得到的產(chǎn)物用2M的鹽酸洗滌5次，再用水洗到中性，80°C下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料，其比表面積為:539.lm2/g。
[0048]對比例
[0049]按照實(shí)施例1，因?yàn)橛衩仔驹细鱾€(gè)部位結(jié)構(gòu)不同，沒有添加活化劑制得的碳材料保留了玉米芯原料的部分形態(tài)，形態(tài)多樣，不具有豐富的孔隙(如圖6)。其比表面積比較小，為 6.02m2/go
[0050]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種玉米芯基多孔碳材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將玉米芯洗滌、干燥并破碎； (2)將破碎過的玉米芯在活化劑的水溶液中活化處理，然后取出干燥； (3)將干燥后的產(chǎn)物在惰性氣體氛圍下高溫碳化，將碳化后的產(chǎn)物用酸洗滌，再用水洗滌，直到中性，將洗滌后的產(chǎn)物干燥，得到玉米芯基多孔碳材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的活化劑為NaOH、KOH、ZnCl2和Η 3Ρ04中的一種或兩種以上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述活化劑和玉米芯的質(zhì)量比為0.25?4。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述活化處理時(shí)間為5?12h。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，所述高溫碳化的條件是碳化溫度為650 °C?850 °C，處理時(shí)間為1?3小時(shí)；或者先300?400 °C低溫碳化0.5?2h，再650?850 °C高溫碳化1?3h。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述高溫碳化的升溫速率為3?10°C/min07.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤?，氣體流速為0.5 ?lL/min。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(2)干燥的溫度為80?100°C，時(shí)間為6?20h ;步驟(3)所述最終產(chǎn)物的干燥條件為50?100°C下干燥3?12h。9.權(quán)利要求1?8中任一項(xiàng)方法制備得到的玉米芯基多孔碳材料，該多孔碳材料的比表面積為:1000?2000mVg。10.權(quán)利要求9所述的玉米芯基多孔碳材料用于制備超級電容器的電極材料或用于吸附或催化。
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，公開了一種玉米芯基多孔碳材料及其制備方法和應(yīng)用，包括如下步驟：(1)將玉米芯洗滌、干燥并破碎；(2)將破碎過的玉米芯在活化劑的水溶液中活化處理，然后取出干燥；(3)將干燥后的產(chǎn)物在惰性氣體氛圍下高溫碳化，將碳化后的產(chǎn)物用酸洗滌，再用水洗滌，直到中性，將洗滌后的產(chǎn)物干燥，得到玉米芯基多孔碳材料。本發(fā)明通過“一步碳化法”，直接制備得到玉米芯基多孔碳材料，制備方法簡單廉價(jià)，為生物質(zhì)及多孔碳材料的大批量制備提供參考。制備的玉米芯基多孔碳材料性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛，多孔碳材料能夠用作超級電容器的電極，容量大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)資源的高效利用。
【IPC分類】C01B31/02, B82Y40/00
【公開號】CN105384162
【申請?zhí)枴緾N201510888250
【發(fā)明人】王小慧, 徐曼曼, 孫潤倉, 黃權(quán)波
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年12月4日