基于西瓜皮的生物质多孔炭材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种生物质多孔炭材料及其制备方法与应用，属于多孔炭材料制备技术领域，所述方法是将除去外层硬果皮的西瓜皮干燥、粉后碎，将得到的西瓜皮粉末与活化剂在溶液中混合得到前驱体，最后通过一步高温绝氧炭化工艺，得到所述生物质多孔炭材料，制备的生物质多孔炭材料可用于超级电容器电极材料。本发明专利技术制备方法简易可行，所获得的生物质多孔炭材料结构蓬松、成本低廉、性能优异，适合大规模的商业生产，该方法为生物质多孔炭材料的制备提供了新途径。

Biomass porous carbon material based on watermelon rind and preparation method and application thereof

The invention discloses a biomass porous carbon material and preparation method and application thereof, which belongs to the technical field of porous carbon material preparation, the method is hard to remove the outer peel watermelon powder after drying, crushing, watermelon powder and mixing the activator precursor in solution, finally step high temperature anaerobic carbonization process, the biomass biomass porous carbon materials, porous carbon materials can be used for the preparation of electrode materials for supercapacitors. The preparation method of the invention is simple and feasible, the biomass structure of porous carbon materials fluffy, low cost, excellent performance, suitable for large-scale commercial production, the method for the preparation of biomass porous carbon materials provides a new way.

【技术实现步骤摘要】
基于西瓜皮的生物质多孔炭材料及其制备方法与应用
本专利技术属于多孔炭材料的制备
，具体涉及基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法及应用。
技术介绍
超级电容器以其突出的能量转换和储存的特点受到广泛的关注。现今，多种碳材料包括活性炭、有序介孔碳、碳气凝胶和石墨烯基碳材料等由于其结构可调控性被大量作为超级电容的电极材料。其中活性炭因其高的比表面积、发达的孔结构、优异的电导率和稳定的电化学性能引起众多学者的研究兴趣，从而成为理想的超级电容的电极材料。在传统的活性炭的制备中，活性炭的原料主要来源于煤炭、石油和它们的派生物，但是由这些材料制备活性炭，不仅制备过程复杂、价格高昂，而且不可再生。近年来，许多学者因为生物质的价格低廉、可再生和环保的特点，将其作为活性炭制备的原料。比如椰子壳、米糠、柚子皮和板栗壳等各种生物质废料都被作为多孔炭材料的前驱体，以制备高性能的超级电容的电极材料。生物质多孔炭是指生物有机材料，通过缺氧或绝氧条件高温裂解生成的一种具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体材料。它主要成分为碳元素，具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积、优良的导电性、耐高温和耐酸碱等优点，并且表面含有较多的含氧活性基团。生物质多孔炭可以通过对生物质原料简单的炭化和活化的方法制备获得。生物质多孔炭材料的高的比表面积和多级孔洞的炭结构对于超级电容充放电过程中的离子迁移有巨大帮助。大的孔洞结构可由合适的处理方法获得，而微孔结构需要有活化剂的参与处理获得。当生物质多孔炭材料作为超级电容时，大的孔洞可以存储电解液，而充电过程中电解液中的离子则更容易迁移到微孔结构的表面，有效地减少了扩散电阻，获得性能优异的超级电容。西瓜皮来源于西瓜的外层果皮，含蜡质、瓜氨酸和糖分（果糖和葡萄糖）。西瓜皮作为一种生物废料，现今仍得不到很好的利用，每年都有大量的西瓜皮被直接丢弃到环境中，不仅浪费了资源而且污染环境。西瓜皮中含有多糖，将其干燥粉碎后热解炭化可以获得多孔炭材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于西瓜皮的生物质多孔炭材料及其制备方法与应用，解决超级电容电极材料制备过程复杂和制备成本高的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：1）前驱体的制备：将除去外层硬果皮并经过干燥、粉碎后的西瓜皮粉末与活化剂混合，在溶液状态下搅拌均匀，然后将溶液干燥至恒重，得到前驱体；2）生物质多孔炭材料的制备：将上述前驱体装入石墨坩锅中，置于电阻炉中绝氧加热至400~1100℃，然后在该温度下热解1-3h后降至室温，得到固体粉末，将固体粉末经盐酸洗涤后干燥至恒重，得到生物质多孔炭材料。所述活化剂为氯化锌、磷酸、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或者多种。所述活化剂与西瓜皮粉末的质量比为0.05∶1~20∶1。进一步，所述活化剂与西瓜皮粉末的质量比为1∶1~9∶1。所述绝氧加热的加热速率为3~10℃min-1，优选为3~5℃min-1。进一步，所述步骤1），西瓜皮粉末与活化剂混合后，加入去离子水，在溶液状态下磁力搅拌5-6h，然后将溶液在50-60℃下干燥至恒重，得到前驱体。所述步骤2），干燥温度为50-60℃。本专利技术所述生物质多孔炭材料用于制备超级电容器电极材料，所述应用具体如下：采用压片法制备电极，选用不锈钢网作为集流体，乙炔黑作为导电剂，5wt.%的聚四氟乙烯为粘结剂，将生物质多孔炭材料、乙炔黑、聚四氟乙烯按照85∶10∶5的质量比混合均匀、研磨成薄片，并将薄片剪成1cm×1cm的形状；然后将剪完的薄片放在两片泡沫镍之间，置于压片机下，在10MPa的压力下，保压1min，得到工作电极。本专利技术采用以上技术方案，以西瓜皮为生物质原料，将干燥、粉碎后的西瓜皮粉末与活化剂在溶液中混合得到前驱体，最后通过一步高温炭化工艺制得生物质多孔炭材料，本专利技术具有以下有益效果于：1）本专利技术以西瓜皮粉末为原料，通过常压高温炭化制备生物质多孔炭材料。本专利技术的原料属于可再生资源，价格低廉，可以达到废物利用的效果，生产工艺简便易行，适合大规模的商业生产。2）本专利技术所制备的生物质多孔炭拥有高的比表面积，是制备多孔炭材料的新方法，为生产高性能的生物质多孔炭材料提供了一个新思路。3）本专利技术所制备的多孔炭具有优异的电化学性能，可作为理想的超级电容的电极材料，拓展了西瓜皮的应用领域。附图说明图1是本专利技术实施例1所制备的生物质多孔炭材料的扫描电子显微镜结果；图2是本专利技术实施例2所制备的生物质多孔炭材料的扫描电子显微镜结果；图3是本专利技术实施例2所制备的生物质多孔炭材料在不同电流密度下的充放电曲线；图4是本专利技术实施例2所制备的生物质多孔炭材料经2000个充放电循环后的稳定性曲线。具体实施方式本专利技术基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法如下：（1）前驱体的制备：将除去外层硬果皮并经过干燥、粉碎后的西瓜皮粉末与活化剂混合，加入去离子水，在溶液状态下磁力搅拌5-6h，然后将溶液在50-60℃下干燥至恒重，得到前驱体；上述活化剂与西瓜皮粉末的质量比为0.05∶1~20∶1，优选为1∶1~9∶1；所述活化剂为氯化锌、磷酸、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或者多种；（2）生物质多孔炭材料的制备：将上述前驱体装入石墨坩锅中，置于电阻炉中，以3~10℃min-1的加热速率绝氧加热至400~1100℃（优为600~800℃），然后在该温度下热解1-3h后降至室温，得到固体粉末，将固体粉末经盐酸洗涤后于50-60℃干燥至恒重，得到生物质多孔炭材料。本专利技术所制备的生物质多孔炭材料用于制备超级电容器电极材料，所述应用具体如下：（1）电极制备：采用压片法制备电极，选用不锈钢网作为集流体，乙炔黑作为导电剂，5wt.%的聚四氟乙烯为粘结剂，将生物质多孔炭材料、乙炔黑、聚四氟乙烯按照85∶10∶5的质量比混合均匀、研磨成薄片，并将薄片剪成1cm×1cm的形状；然后将剪完的薄片放在两片泡沫镍之间，置于压片机下，在10MPa的压力下，保压1min，得到工作电极；（2）电化学性能测试：电极的测试体系采用三电极体系，将片状的电极作为工作电极，然后与对电极和参考电极，一同置于电解质中通过电化学工作站进行生物质多孔炭材料的电化学性能测试。以下是本专利技术的几个具体实施例，进一步说明本专利技术，凡依本专利技术申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利技术的涵盖范围。实施例1基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法如下：（1）取0.4g氢氧化钾和干燥粉碎后的西瓜皮粉末0.4g（质量比为1:1），将它们放入烧杯中，再加入20mL的去离子水，搅拌5h后，倒入蒸发皿中，在60℃烘箱中干燥至恒重，得到淡黄色固体混合物，然后研磨得到前驱体；（2）将上述前驱体装入石墨坩锅中，置于电阻炉中，以加热速率为5℃min-1绝氧加热至700℃，然后在该温度下热解1h，之后随炉冷却至室温，获得的黑色固体粉末经过1molL-1盐酸洗涤，在60℃下干燥至恒重，得到生物质多孔炭材料，其扫描电子显微镜图片如图1所示，可以看出所得生物质多孔炭材料具有丰富的多孔结构。将本实施例的生物质多孔炭材料进行电化学性能测试，结果表明，该电极材料在1Ag-1电流密度下的放电比电容可达到208Fg-1。实施例2基于西瓜皮的本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）前驱体的制备：将干燥、粉碎后的西瓜皮粉末与活化剂混合，在溶液状态下搅拌均匀，然后将溶液干燥至恒重，得到前驱体；2）生物质多孔炭材料的制备：将上述前驱体装入石墨坩锅中，绝氧加热至400~1100 ℃，然后在该温度下热解 1~3 h后，降至室温，得到固体粉末，将固体粉末经盐酸洗涤后干燥至恒重，得到生物质多孔炭材料。

【技术特征摘要】
1.基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）前驱体的制备：将干燥、粉碎后的西瓜皮粉末与活化剂混合，在溶液状态下搅拌均匀，然后将溶液干燥至恒重，得到前驱体；2）生物质多孔炭材料的制备：将上述前驱体装入石墨坩锅中，绝氧加热至400~1100℃，然后在该温度下热解1~3h后，降至室温，得到固体粉末，将固体粉末经盐酸洗涤后干燥至恒重，得到生物质多孔炭材料。2.根据权利要求1所述的基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述活化剂为氯化锌、磷酸、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或者多种。3.根据权利要求1所述的基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述活化剂与西瓜皮粉末的质量比为0.05∶1~20∶1。4.根据权利要求3所述的基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述活化剂与西瓜皮粉末的质量比为1∶1~9∶1。5.根据权利要求1所述的基于西瓜皮的生物质多孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述绝氧加热的加热速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕秋丰，林晓强，陈明慧，勒艳巧，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35