CN109205622A - 一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法，步骤简单，将生物质焦油废弃物转化制备为具有高比表面积和窄的孔径分布且具有双电层特性的多孔碳材料，可用于超级电容器碳电极，电化学性能优异，将焦油废弃物高值资源化，解决了传统的活化方法难以制备出对比表面积、孔结构有更严格要求的作为超级电容器碳电极用的多孔碳材料的问题，也为解决现有生物质焦油难以资源化利用问题提供一种新方法。

Description

一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法。
背景技术：
我国作为农业大国，拥有巨量的生物质资源，这为生物质气化技术的发展提供了良好的基础，但是气化过程中产生的生物质焦油是制约气化技术快速发展的主要因素。目前对焦油的净化处理方法主要是热化学转化法，然而其存在着高温要求高(＞1000℃)且产物附加值低等缺陷。
多孔碳材料是指具有不同孔道结构的碳材料，包括活性碳、碳分子筛等，按照其孔径大小，多孔碳材料中的孔结构可以分为如下3种：微孔(孔径＜2nm)，介孔(2nm＜孔径＜50nm)，大孔(孔径＞50nm)。多孔碳材料因其具有高度发达的内表面和孔隙结构,作为吸附剂、电极材料和催化剂载体广泛应用于气体的吸附分离与净化、电化学及催化等领域。超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型的储能器件，近年来发展十分迅速，这也对作为电极的碳材料提出更高的性能要求，然而传统的活化方法难以制备出对比表面积、孔结构有更严格要求的多孔碳材料。因此,近年来开发高比表面积、孔径分布狭窄的多孔碳材料已成为一项国内外储能产业技术发展的新需求。
发明内容：
本发明的目的是提供一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法，步骤简单，将生物质焦油废弃物转化制备为具有高比表面积和窄的孔径分布且具有双电层特性的多孔碳材料，可用于超级电容器碳电极，电化学性能优异，将焦油废弃物高值资源化，解决了传统的活化方法难以制备出对比表面积、孔结构有更严格要求的作为超级电容器碳电极用的多孔碳材料的问题，也为解决现有生物质焦油难以资源化利用问题提供一种新方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将Y型分子筛与生物质焦油以≥2的质量比置于石英舟中，石英舟置于管式炉中央，通氮气排尽空气，升温至600～800℃进行反应，保持反应温度20-60min，升温速率为5-15℃/min，反应结束后自然冷却至室温；
(2)将步骤(1)得到的产物浸于15-20wt％的氢氟酸溶液，搅拌20-24h，布氏漏斗中进行抽滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性；
(3)将步骤(2)得到的滤渣转移至17-18wt％的盐酸溶液，搅拌20-24h，抽滤洗涤至中性，真空干燥即得具有高比表面积和窄的孔径分布且具有双电层特性的多孔碳材料；所述多孔碳材料由规整的多面体碳粒堆叠成具有孔道结构，且多面体碳粒的表面具有复杂的微孔结构。
本发明还保护上述制备方法得到的多孔碳材料的应用，作为超级电容器碳电极材料，所制超级电容器比电容高，循环寿命长。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明以生物质焦油为原料，将生物质焦油废弃物转化制备为具有高比表面积和窄的孔径分布且具有双电层特性的多孔碳材料，可用于超级电容器碳电极，电化学性能优异，具有将焦油废弃物高值资源化的特点，与现有焦油处理方法相比，反应条件要求更低，产物附加值更高。
2)本发明制备的生物质焦油衍生多孔碳材料具有高比表面积和窄的孔径分布的复杂的孔结构，最高比表面积达1540m2g-1，其孔隙主要为微孔和介孔，平均孔径为2.8nm，作为超级电容器电极活性组分，所制超级电容器比电容高，循环寿命长，在1A/g的电流密度下的恒流充放电测试中比电容值为230F/g，经过10000圈恒流充放电循环后仍保持了90％的比电容值。
附图说明：
图1是本发明制备多孔碳材料的扫描电镜图；
图2是本发明制备多孔碳材料的高分辨透射电镜图；
图3是本发明制备多孔碳材料的氮吸附曲线(左)和孔径分布图(右)；
图4是本发明制备多孔碳材料的恒流充放电循环性能图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将5g焦油与10g NaY分子筛置于石英舟中，石英舟置于管式炉中央，通氮气排尽空气，升温速率为10℃/min，反应温度为600℃，保持反应温度60min，反应结束后自然冷却至室温。
(2)将步骤(1)得到的产物浸于15-20wt％的氢氟酸溶液，搅拌24h，用滤纸在布氏漏斗中进行抽滤，蒸馏水冲洗至中性。
(3)将步骤(2)得到的滤渣转移至18wt％的盐酸溶液，搅拌24h，抽滤洗涤至中性，真空干燥即得多孔碳材料。
为表明本发明制备的多孔碳材料的形貌特征，对本发明多孔碳材料作扫描电镜和透射电镜表征，如图1,2所示，扫描电镜结果显示由焦油制备的多孔碳材料是由相对规整的多面体碳粒堆叠成具有孔道结构的碳材料，碳粒的形貌与将八面体孔结构的分子筛作为模板有关。这种堆叠方式使得多孔碳材料在与电解质溶液保持较大接触面积的同时又利于电解质溶液对其的深层浸润。透射电镜结果显示在多面体碳粒的表面又具有复杂的微孔结构，其可能的原因是与分子筛模板孔道内壁接触的前体更易与分子筛活性位点反应，催化裂解形成微孔结构。这种表面复杂的微孔结构进一步增大了多孔碳材料的表面积和有效孔容，有利于提高双电层电容器的比电容。
为表明本发明制备的多孔碳材料的比表面积和孔径分布，对本发明多孔碳材料作氮吸附比表面测试，如图3所示，结果表明材料具有高比表面积和窄的孔径分布，多孔碳材料的比表面积达1540m2g-1，孔尺寸多在<5nm的范围内，主要是微孔和比较小的介孔。
为表明本发明制备的多孔碳材料作为超级电容器碳电极的电化学性能，作恒流充放电测试，如图4所示，结果显示在1A/g的电流密度下的恒流充放电测试中比电容值为230F/g，经过10000圈恒流充放电循环后仍保持了90％的比电容值。
实施例2
一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将5g焦油与13g HY分子筛置于石英舟中，石英舟置于管式炉中央，通氮气排尽空气，升温速率为15℃/min，反应温度为800℃，保持反应温度50min，反应结束后自然冷却至室温。
(2)将步骤(1)得到的产物浸于20wt％的氢氟酸溶液，搅拌24h，用滤纸在布氏漏斗中进行抽滤，蒸馏水冲洗至中性。
(3)将步骤(2)得到的滤渣转移至18wt％的盐酸溶液，搅拌24h，抽滤洗涤至中性，真空干燥即得多孔碳材料。
以上对本发明提供的生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将Y型分子筛与生物质焦油以≥2的质量比置于石英舟中，石英舟置于管式炉中央，通氮气排尽空气，升温至600～800℃进行反应，保持反应温度20-60min，升温速率为5-15℃/min，反应结束后自然冷却至室温；
(2)将步骤(1)得到的产物浸于15-20wt％的氢氟酸溶液，搅拌20-24h，布氏漏斗中进行抽滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性；
(3)将步骤(2)得到的滤渣转移至17-18wt％的盐酸溶液，搅拌20-24h，抽滤洗涤至中性，真空干燥即得具有高比表面积和窄的孔径分布且具有双电层特性的多孔碳材料；所述多孔碳材料由规整的多面体碳粒堆叠成具有孔道结构，且多面体碳粒的表面具有复杂的微孔结构。
2.权利要求1所述生物质焦油衍生多孔碳材料的制备方法得到的多孔碳材料的应用，其特征在于，所述多孔碳材料作为超级电容器碳电极材料。
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