一种多用途氧氮共掺杂废弃生物质衍生碳材料的制备方法与流程

本发明属于超级电容器电极材料的制备技术领域，具体涉及一种多用途氧氮共掺杂废弃生物质衍生碳材料的制备方法及其在超级电容器器件和二氧化碳捕集与储存中的应用。

背景技术：

环境污染与能源危机的日益加剧己演变为人类亟待解决的重大课题。传统化石能源及其衍生材料在解决能源和环境问题的同时，增加了co2排放和生产应用的成本。为此，发掘新型绿色环保的材料对解决环境资源安全及对能源产品需求至关重要。生物质价格相对低廉，属于可循环再生资源，永不枯竭，广泛地存在于自然界之中。以生物质或废弃生物质为基础的碳材料就是生物质通过碳化和活化所形成的一种多孔的碳结构体，其具有很大的比表面积、导电性优良、循环稳定性高；多孔生物质碳材料都具有独特的三维结构，存在丰富的孔洞、发达的多孔结构，包含着丰富的微孔和介孔，这种结构有利于电解液的吸附和传输；生物质基碳材料的表面存在多种含氧、氮活性基团，有利于提高材料与电介质的浸润性、赝电容效应以及增加co2的捕集量。总之，生物质衍生碳材料可以广泛应用于超级电容器和各类电池的电极材料及co2捕集与储存的载体材料。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的多用途氧氮共掺杂废弃生物质衍生碳材料的制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种多用途氧氮共掺杂废弃生物质衍生碳材料的制备方法，其特征在于具体过程为：

步骤s1：将自然晾干后废弃的棕榈花穗置于鼓风干燥箱中于60℃干燥24h进一步去除样品的水分，再用粉碎机粉碎成棕榈花穗粉末待用；

步骤s2：将步骤s1得到的棕榈花穗粉末置于管式炉中，在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至500℃恒温热解处理2h，再自然降温至室温得到生物质碳化物；

步骤s3：将步骤s2得到的生物质碳化物与固体氢氧化钾按照质量比1:3~5混合，再加入去离子水浸泡24h后于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以10℃/min的升温速率从室温升温至600~800℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

步骤s4：将步骤s3得到的粗产物加入到2mol/l的盐酸溶液中浸泡12h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，再于80℃干燥24h得到微孔-介孔-大孔多级孔分布的氧氮共掺杂碳材料，该氧氮共掺碳材料的比表面积为1391~3156m²/g，总孔体积为0.73~1.76cm²/g，能够用于制作超级电容器电极材料及在常温和常压下作为捕集和储存co2的载体。

优选的，所述多用途氧氮共掺杂废弃生物质衍生碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤s1：将自然晾干后废弃的棕榈花穗置于鼓风干燥箱中于60℃干燥24h进一步去除样品的水分，再用粉碎机粉碎成棕榈花穗粉末待用；

步骤s2：将步骤s1得到的棕榈花穗粉末置于管式炉中，在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至500℃恒温热解处理2h，再自然降温至室温得到生物质碳化物；

步骤s3：将步骤s2得到的生物质碳化物与固体氢氧化钾按照质量比1:4混合，再加入去离子水浸泡24h后于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以10℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

步骤s4：将步骤s3得到的粗产物加入到2mol/l的盐酸溶液中浸泡12h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，再于80℃干燥24h得到微孔-介孔-大孔多级孔分布的氧氮共掺杂碳材料，该氧氮共掺碳材料的比表面积为3156m²/g，总孔体积为1.76cm²/g，在1a/g电流密度下单电极最高比电容可达562f/g，在常温和常压下对co2的吸附量可达5.73mmol/g。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1、本发明所用原料廉价、制备过程简单，可以通过调控生物质与活化剂的比例和活化温度高低来控制碳材料的比表面积大小及孔径分布；

2、本发明用废弃生物质制备的多用途氧氮共掺杂碳材料具有结构稳定、电化学性能优异、循环寿命长以及高比电容量，co2吸附量大等优点，非常适合用作超级电容器电极材料和co2捕集与储存载体；

3、本发明通过生物质内部的自掺杂和活化后的氧元素外掺杂得到了氧氮共掺杂碳材料，其比表面积最高可达3156m²/g。最优化的样品在恒流充放电测试中，在1a/g的恒电流密度下的比电容为562f/g，在电流密度为30a/g时经10000次循环后几乎有100%的比电容保持率。另外该氧氮共掺杂材料在常温和常压下对co2的吸附量可达5.73mmol/g，大于多数文献报道的数据。详细的研究成果表明该方法制备的氧氮共掺杂碳材料用作超级电容器电极材料和co2捕集与储存载体具有良好的前景。

附图说明

图1是实施例2制备的多级孔氧氮共掺杂碳材料的场发射扫描电镜图；

图2是实施例2制备的多级孔氧氮共掺杂碳材料的孔径分布图；

图3是实施例1~3、5及7制备的多级孔氧氮共掺杂碳材料的拉曼光谱图；

图4是实施例1~4及7制备的多级孔氧氮共掺杂碳材料在不同电流密度下的质量比电容图；

图5是在常压、273k时co2在实施例2~3制备的多级孔氧氮共掺杂碳材料中的吸附曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

（1）将6g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与4g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至600℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液的容器中浸泡12h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-1。

实施例2

（1）将6g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与4g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液的容器中浸泡12h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-2。

制备的多级孔氧氮共掺杂碳材料在1a/g的恒电流密度下的比电容为562f/g，在电流密度为30a/g时经10000次循环后几乎有100%的比电容保持率。另外该多级孔氧氮共掺杂碳材料在常温和常压下对co2的吸附量可达5.73mmol/g。

实施例3

（1）将8g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与4g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至800℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液的容器中浸泡24h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-3。

实施例4

（1）将6g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与3g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至600℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液容器中浸泡24h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-4。

实施例5

（1）将8g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与3g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液的容器中浸泡24h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-5。

实施例6

（1）将6g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与3g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至800℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液的容器中浸泡24h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-6。

实施例7

（1）将6g棕榈花穗粉末放入瓷舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，从室温以5℃/min的升温速率升温至500℃恒温热解处理2h后，自然降温至室温得到生物质炭化物，记作wpbcs-0；

（2）将1gwpbcs-0与5g固体koh放入容器中，再加入10ml去离子水并充分搅拌混合均匀，室温静置24h后于120℃烘干得到wpbcs-0/koh混合物；

（3）将wpbcs-0/koh混合物转到镍舟中，置入管式炉，抽真空，用氮气置换管式炉中的空气，然后在常压氮气保护下，以10℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温活化处理2h，自然降温至室温得到粗产物；

（4）将粗产物加入到盛有2mol/l的盐酸溶液的容器中浸泡24h，过滤，用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后于80℃干燥24h得到多级孔氧氮共掺杂碳材料，记作wpbcs-7。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。