一種以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，屬于新能源材料制備領域。本發(fā)明選用中藥提取后藥渣為原料，經(jīng)微波干燥、碳化、改性處理制備粒子尺寸較小、無團聚的電極材料。本發(fā)明所述反應物具有原料易得、成本低廉、反應條件易控、產(chǎn)物產(chǎn)量大、結果重復性好等優(yōu)點；電極材料為多孔結構，粒子的尺寸較小、比表面積大（935.93~1567.85m2/g）、無團聚。
【專利說明】
一種以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，屬于新能源材料制備領域。
【背景技術】
[0002]鋰空氣電池(L1-air battery)是一種以金屬鋰作為負極，空氣(或氧氣)作為正極，以及堿性水溶液作為電解液組成的一種金屬-空氣電池。這種鋰空氣電池放電時，來自大氣中的氧氣在空氣電極(正極)表面還原，形成氧化物或氫氧化物。作為鋰空氣電池的正極，碳空氣電極對電池性能有著重要的影響。因此，選擇一種合適的空氣電極材料并構筑一種理想的多孔結構對提高鋰空氣電池的性能非常重要。在常用的空氣電極材料中，高比表面積的碳素材料是制備空氣電極的首選，因為高比表面意味著可以為電化學反應提供更多的活性點，同時更大的比表面積也將給催化劑提供更多的負載位點，有利于催化劑的均勻分布，提高催化效能。
[0003]目前為止，空氣極碳素材料仍然是鋰空氣電池研究的熱點之一，也是難點。已被研究用作鋰空電極材料的碳素材料主要有活性炭，Vulcan XC_72、Super P、Ketjen black、碳納米纖維、碳納米管、石墨烯或對其進行改性的碳材料，但是這些材料本身及其改性方法復雜、成本較高，且實驗條件要求高，不利于商業(yè)化應用，仍不能滿足鋰空氣電池對材料的要求。利用中藥提取后藥渣為原料，制備多孔碳素電極材料你，具有原料易得、成本低廉、工藝簡單易控、產(chǎn)物產(chǎn)量大、結果重復性好，制備出粒子尺寸均勻、比表面積大(935.93?1567.85m2/g)的碳素電極材料，該方法還未見報道。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明目的在于:提供一種成本低廉、過程簡單、高比表面積(935.93?1567.85m2/g)的以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，具體包括以下步驟:
(1)將中藥提取后藥渣進行微波處理，所述微波處理的條件為微波功率350?550W，微波處理時間為5?20min，然后將微波處理后的中藥提取后藥渣烘干至恒重；
(2)按步驟(I)所得烘干的中藥提取后藥渣與改性劑以質量比為1:1?1:6的比例將中藥提取后藥渣與改性劑混合均勻，然后放入管式爐中進行改性處理得到改性后的中藥提取后藥渣;所述改性劑為KOH、K2CO3、H3PO4中的一種；
(3 )改性后的中藥提取后藥渣用質量百分比濃度為5?15%的HCl清洗，再用蒸餾水清洗至PH值為中性，最后烘至恒重，即得到多孔碳素電極材料。
[0005]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(I)所述烘干溫度為70?110°C。
[0006]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(2)所述改性過程為:將樣品置于管式爐中，按0.5?rC/min的升溫速率將溫度升至180?200°C，保溫120?180min ；接著，向爐內持續(xù)通入氬氣并以5?10°C/min的升溫速率升溫至650?850°C，保溫30?120min后隨爐冷卻。
[0007]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(3)所述烘干溫度為70?110°C。
[0008]本發(fā)明所述中藥提取后藥渣是中草藥經(jīng)過水提取或醇提取后剩余的殘渣。
[0009]空氣電極的材料和結構決定了電池能放出的實際容量，同時，也影響著電池的功率密度、充電效率、循環(huán)使用壽命等方面的性能，是電池的關鍵組成部分之一；由于碳納米管/線、石墨烯等碳素材料具有優(yōu)良的導電性能、較好的化學惰性，具有高的比表面積，因而是制備鋰空氣電池的空氣電極優(yōu)選，因為高的比表面積意味著可以為電化學反應提供更多的反應活性位點，但是，上述材料制備過程復雜，成本相對高昂，制約其實際的應用。能夠推進鋰空氣電池實際應用和推廣的空氣電極碳素材料，既要有良好的導電性、較好的化學惰性、高的比表面積等，還要具有容易獲得、成本較低等利于廣泛應用的特點。
[0010]本發(fā)明的原理:以中草藥提取后藥渣為原料，經(jīng)提取后的藥渣自身結構組織更加疏松，便于活化劑的侵蝕和潤張，從而在改性過程中可以獲得大量的多孔結構，且制備的多孔炭材料的粒子尺寸較小、粒度均勻、比表面積大(935.93?1567.85m2/g)、無團聚。因為高的比表面積意味著可以為電化學反應提供更多的反應活性位點，從而獲得較好的電化學性會K。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
(I)本發(fā)明所述方法原材料易得，成本低廉，反應簡單易控，結果重復好。
[0012](2)本發(fā)明制備的多孔碳為高純度碳材料，具有粒子尺寸小、比表面積大(935.93?1567.85m2/g)、無團聚等優(yōu)點；將該高純度的碳素材料應用于鋰空氣電池中做空氣電極材料組裝成鋰空氣電池進行恒流充放電測試，電流密度為50mA.g—1時首次放電比容量達5063mAh.g—I據(jù)可查資料，這個比容量約是碳納米管在相同電流密度下首次放電比容量的6.7倍。
[0013](3)本發(fā)明是對中草藥提取后殘渣的回收再利用，從而更好的實現(xiàn)了中草藥提取殘渣的有效充分利用。
【附圖說明】
[0014]圖1為實施例1制備得到的碳素電極材料的SEM表面形貌及EDS元素分析；
圖2為實施例1制備得到的碳素電極材料的孔徑分布情況；
圖3為實施例1制備得到的碳素電極材料的首次放電曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內容。
[0016]實施例1
本實施例所述的以中草藥經(jīng)過水提取的藥渣制備多孔碳素電極材料的方法，具體包括如下步驟:
(I)將中藥提取后藥渣進行微波處理，微波功率450W，微波處理時間為1min，然后將微波處理后的中藥提取后藥渣在70 V下烘干至恒重。
[0017](2)按步驟(I)所得中藥提取后藥渣與KOH以質量比為1:4的比例混合均勻，然后放入管式爐中進行改性處理得到改性后的中藥提取后藥渣;改性處理過程中，按rC/min的升溫速率將溫度升至200 0C，保溫120min ；接著，向爐內持續(xù)通入氬氣并以1 V /min的升溫速率升溫至750°C，保溫30min后隨爐冷卻。
[0018](3)將上述得到的物料用濃度為10%的HCl清洗，再用蒸餾水清洗至pH值為中性，最后在70°C下烘干至恒重，即得到多孔碳素電極材料。
[0019]本實施例所述碳素電極材料的SEM表面形貌及EDS元素分析如圖1所示，從圖中可以看出，碳素電極材料以球形為主、粒徑在ΙΟμπι左右;從元素分析圖中可以看出，材料中除了極少量的可忽略不計的O元素，其余全部為C元素，純度很高，表明該材料為碳素材料。碳素電極材料的孔半徑分布情況如圖2所示，從圖中可以看出，該電極材料的孔徑主要分布在5.6?13nm nm間，該電極材料具有介孔結構;碳素電極材料的首次放電曲線如圖3所示；由圖可知在50mA.g—1的電流密度下，電極材料首次放電比容量達5000mAh.g—1以上。
[0020]實施例2
本實施例所述的以中草藥醇提取后殘渣制備多孔碳素電極材料的方法，具體包括如下步驟:
(I)將中藥提取后藥渣進行微波處理，微波功率350W，微波處理時間為5min，然后將微波處理后的中藥提取后藥渣在11 (TC下烘干至恒重。
[0021](2)按步驟(I)所得中藥提取后藥渣與H3PO4以質量比為1:2的比例混合均勻，然后放入管式爐中進行改性處理得到改性后的中藥提取后藥渣;改性處理過程中，按0.5°C/min的升溫速率將溫度升至180 0C，保溫150min;接著，向爐內持續(xù)通入氬氣并以5 °C /min的升溫速率升溫至650°C，保溫120min后隨爐冷卻。
[0022](3)將上述得到的物料用濃度為5%的HCl清洗，再用蒸餾水清洗至pH值為中性，最后在90°C下烘干至恒重，即得到多孔碳素電極材料。
[0023]本實施例制備得到的碳素電極材料具備多孔結構;應用于鋰空氣電池的空氣電極中，在電流密度為100mA.g—1的電流密度下，電極材料首次放電比容量達ISOOmAh.g—1以上。
[0024]實施例3
本實施例所述的以中草藥醇提取后藥渣制備多孔碳素電極材料的方法，具體包括如下步驟:
(I)將中藥提取后藥渣進行微波處理，微波功率550W，微波處理時間為15min，然后將微波處理后的中藥提取后藥渣在80 V下烘干至恒重。
[0025](2)按步驟(I)所得中藥提取后藥渣與K2CO3以質量比為1:3的比例混合均勻，然后放入管式爐中進行改性處理得到改性后的中藥提取后藥渣;改性處理過程中，按l°C/min的升溫速率將溫度升至1900C，保溫180min;接著，向爐內持續(xù)通入氬氣并以5°C/min的升溫速率升溫至850°C，保溫90min后隨爐冷卻。
[0026](3)將上述得到的物料用濃度為15%的HCl清洗，再用蒸餾水清洗至pH值為中性，最后在110°C下烘干至恒重，即得到多孔碳素電極材料。
[0027]本實施例制備得到的碳素電極材料具備多孔結構;應用于鋰空氣電池的空氣電極中，在電流密度為100mA.g—1的電流密度下，電極材料首次放電比容量達ISOOmAh.g—1以上。
【主權項】
1.一種以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)將中藥提取后藥渣進行微波處理，然后將微波處理后的中藥提取后藥渣烘干至恒重； (2)按步驟(I)所得中藥提取后藥渣與改性劑以質量比為1:1?1:6的比例將中藥提取后藥渣與改性劑混合均勻，然后放入管式爐中進行改性處理得到改性后的中藥提取后藥渣;所述改性劑為K0H、K2C03、H3PO沖的一種； (3)改性后的中藥提取后藥渣用質量百分比濃度為5?15%的HCl清洗，再用蒸餾水清洗至PH值為中性，最后烘至恒重，即得到多孔碳素電極材料。2.根據(jù)權利要求1所述以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，其特征在于:所述微波處理的條件為微波功率350?550W，微波處理時間為5?20min。3.根據(jù)權利要求1所述以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，其特征在于:步驟(1)所述烘干溫度為70?110°(:。4.根據(jù)權利要求1所述以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，其特征在于:步驟(2)所述改性過程為:將樣品置于爐中，按0.5?rC/min的升溫速率將溫度升至180?200°C，保溫120?180min;接著，向爐內持續(xù)通入氬氣并以5?10°C/min的升溫速率升溫至650?8500C，保溫30?120min后隨爐冷卻。5.根據(jù)權利要求1所述以中藥提取后藥渣制備碳素電極材料的方法，其特征在于:步驟(3)所述烘干溫度為70?110°C。
【文檔編號】H01M4/88GK105977505SQ201610439620
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】張玲, 詹肇麟, 曾曉鷹, 張?zhí)鞐? 胡魏耀, 雷聲, 楊建云, 于曉華
【申請人】昆明理工大學