一种制备海藻基多孔碳材料的方法与流程

本发明涉及一种制备海藻基多孔碳材料的方法，属于材料制备领域。

背景技术：

能源问题一直是现代文明快速发展的首要问题之一。开发和利用新能源、寻找能代替化石燃料的新能源材料进而减少环境污染是现代科学研究的重要课题。目前为止，太阳能、风能、水能等能源已被成功用来发电，但太阳能、风能的不稳定性导致其真正运用到实际生活中少之又少。因此，需要良好的储能系统对能量进行有效地存储，再加以利用，从而缓解其受客观环境的影响。作为一种新型的能量储存装置，超级电容器以其充电快速、安全性高、功率密度高以及良好的循环性能等优点越来越受到科学研究者的青睐。电极材料是超级电容器性能的决定因素之一。目前，电极材料主要有三类：过渡金属氧化物材料、导电聚合物材料和碳材料。其中，过渡金属氧化物材料制备成本很高，不利于工业化生产，而导电聚合物材料循环性能不稳定，不能保障安全性。因此，碳材料以成本低廉、功率密度大、比电容大、循环性能稳定和循环寿命长等优点，成为市场应用前景最广阔的电极材料。生产碳材料的原料主要有煤、石油和生物质等。从可持续、环境和经济的角度来看，相比于煤和石油，丰富的、可再生的、低成本的天然生物质具有更高的实用价值。

目前，利用化学活化法处理生物质以期获得高比表面积的碳材料是最常用的制备碳电极材料的方法。但是过分地追求高比表面积虽然会极大地提高比容量，但是也会导致体积能量密度的急剧下降，而在实际应用中体积能量密度是衡量超级电容器性能最为关键的参数之一。同时，高比表面积意味着低石墨化度，而石墨化度反映的是电子传导能力，它也是决定电化学性能的一个关键因素。因此，过分地追求高比表面积并不可取，而开发同时具有高度石墨化，高比表面积和丰富孔结构的碳材料，并使比表面积和石墨化度达到一个理想的平衡状态势在必行。

海藻生长速度快，碳水化合物含量高，是制备碳材料的良好原料。我国沿海地区海藻储量丰富，但是目前绝大部分的海藻都是作为海洋废弃物处理丢弃。而利用海藻这种生物质来制备具有高度石墨化，高比表面积和丰富孔结构的碳材料还鲜有报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制备海藻基多孔碳材料的方法。这种方法简单易行，具体包括如下步骤：

a.将海藻用去离子水清洗干净后进行干燥，之后将其研磨成粉末；

b.将海藻粉末浸泡在镍盐溶液中2-96小时，然后收集固体并于50-80℃干燥；

c.将步骤b得到的粉末样品置于管式炉中，在惰性气氛下，以2-5℃min^-1的升温速率升温至600-900℃，保温3-8小时后，冷却至室温，得到碳化产物；

d.将步骤c得到的碳化产物用1-3moll^-1硝酸溶液浸泡1-12小时，再用去离子水洗涤至中性，然后于50-80℃干燥，得到海藻基多孔碳材料。

进一步地，在上述技术方案中，步骤b中所述镍盐为硫酸镍、醋酸镍、氯化镍中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，步骤b中所述镍盐的体积为0.03-5l，浓度为0.2-1.0moll^-1，优选0.2-0.6moll^-1。

进一步地，在上述技术方案中，步骤b中海藻粉与镍盐溶液的用量比为0.5-100g：0.03-5l。

进一步地，在上述技术方案中，步骤c中煅烧氛围为氮气或氩气氛围。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了一种成本低廉，操作简便，设备简单，适用于工业化大规模生产多孔碳材料的方法，该方法也实现了海藻高附加值的绿色转化；

(2)本发明所制备的碳材料因同时具有较高的石墨化度、较大的比表面积和丰富的孔结构，而具有较高的比电容，可作为超级电容器的电极材料。

附图说明

本发明附图10幅，

图1是实施例1制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；

图2是实施例1制备的海藻基多孔碳材料的透射电镜图；

图3是实施例1制备的海藻基多孔碳材料的拉曼谱图；

图4是实施例1制备的海藻基多孔碳材料的氮气吸附/脱附等温线图；

图5是实施例1制备的海藻基多孔碳材料在不同扫速条件下的循环伏安曲线；

图6是实施例1制备的海藻基多孔碳材料在不同电流密度下的恒电流充电放电曲线；

图7是实施例3制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；

图8所示为实施例5制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；

图9所示为实施例6制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；

图10所示为实施例7制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图。

具体实施方式

下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

将海藻用去离子水清洗干净后进行干燥，之后将其研磨成粉末。称取0.8g海藻粉末，将其浸泡在50ml硫酸镍溶液(浓度为0.6moll^-1)中48小时后，用布氏漏斗进行抽滤，然后收集固体并于60℃干燥。将干燥的粉末样品置于管式炉中，在氮气气氛下，以5℃min^-1的升温速率升温至850℃，保温4小时后，冷却至室温，得到碳化产物。将碳化产物用2moll^-1硝酸溶液浸泡12小时，再用去离子水洗涤至中性，然后于60℃干燥，得到海藻基多孔碳材料。

图1所示为实施例1制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；图中显示所制备的碳材料具有丰富的孔道结构。

图2所示为实施例1制备的海藻基多孔碳材料的透射电镜图；图中显示所制备的碳材料具有丰富的孔结构，且含有许多平行的石墨烯片层，说明该材料具有较高的石墨化度。

图3所示为实施例1制备的海藻基多孔碳材料的拉曼谱图；图中位于～1350和～1580cm^-1的峰分别对应着所制备的碳材料的d峰(无序石墨结构)和g峰(sp²-杂化碳)。经计算，g峰和d峰的强度比为1.13，说明该材料具有较高的石墨化度。

图4所示为实施例1制备的海藻基多孔碳材料的氮气吸附/脱附等温线图；图中显示该等温线结合了ⅰ型和ⅳ型等温线的特点，说明所制备的碳材料含有丰富的微孔和介孔。利用bet法计算，其比表面积为122m²g^-1。

应用例2

将实施例1得到的海藻基多孔碳材料按照如下方法进行电化学性能测试。

将实施例1制备的海藻基多孔碳材料与乙炔黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液(3％)按照8∶1∶1(质量比)的比例混合，再按固液比为1:10，在混合物中加入无水乙醇，超声处理40分钟后，在烘箱中烘干，压制成8mm×8mm的方片，并负载于10mm×10mm的泡沫镍集流体上，经压片机将其压制成薄片，并组装压制成纽扣式超级电容器用于测试(电解液为6moll^-1的koh溶液)，使用chi604e电化学工作站做循环伏安测试、使用land电池测试系统ct3001a进行恒电流充放电测试。

图5所示为是实施例1制备的海藻基多孔碳材料在扫速为5-100mv/s循环伏安曲线；图中显示所有的循环伏安曲线均为类矩形，这是典型的碳材料双电层电容。随着扫速逐渐增大，循环伏安曲线围成的面积逐渐增大，说明该碳材料具有良好的倍率性能。

图6所示为实施例1制备的海藻基多孔碳材料在不同电流密度下的恒电流充电放电曲线；图中显示在不同的电流密度下，该碳材料都显示了良好的电容特性。经计算，该碳材料在1.0ag^-1的充放电电流密度下的比电容高达167f·g^-1，在20ag^-1的充放电电流密度时，仍有88f·g^-1的电容量。

实施例3

实验方法同实施例1，不同之处在于将硫酸镍的浓度变为0.2moll^-1，得到海藻基多孔碳材料。

图7所示为实施例3制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；图中显示所制备的碳材料具有丰富的孔道结构。

该碳材料的比表面积为356m²g^-1，将该碳材料利用应用例2相似的方法组装压制成纽扣式超级电容器后进行测试，该碳材料在1.0ag^-1的充放电电流密度下的比电容为144f·g^-1。

实施例4

实验方法同实施例1，不同之处在于将硫酸镍的浓度变为0.8moll^-1，得到海藻基多孔碳材料。

实施例5

实验方法同实施例1，不同之处在于将硫酸镍的浓度变为1.0moll^-1，得到海藻基多孔碳材料。

图8所示为实施例5制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；图中显示所制备的碳材料具有丰富的孔道结构。

实施例6

实验方法同实施例1，不同之处在于将硫酸镍变为醋酸镍，得到海藻基多孔碳材料。

图9所示为实施例6制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；图中显示所制备的碳材料具有丰富的孔道结构。

实施例7

实验方法同实施例1，不同之处在于将硫酸镍变为氯化镍，得到海藻基多孔碳材料。

图10所示为实施例7制备的海藻基多孔碳材料的场发射扫描电镜图；图中显示所制备的碳材料具有丰富的孔道结构。