一种生物质衍生多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及功能材料技术领域，具体涉及一种生物质衍生多孔碳材料及其制备方法和应用，(1)首先通过豆芽机培养豆芽，待豆芽根须长至5～10cm，将豆芽培养液更换为金属盐溶液，在金属盐溶液中避光生长2～3天；(2)将步骤(1)生长后的豆芽茎部清洗后用液氮将其速冻，然后转移至冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到初产物；(3)将步骤(2)得到的初产物置于惰性气氛中煅烧，通过控制温度得到均匀分布的生物质衍生碳基复合材料，本发明专利技术通过创新生物质衍生碳基材料的修饰方法，实现金属颗粒在生物质基碳材料中的可控分布，丰富金属氧化物/生物质衍生碳复合材料手段，使其应用于能源存储与转换装置具有更大潜力。有更大潜力。有更大潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质衍生多孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及功能材料
，具体涉及一种生物质衍生多孔碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前，人们主要采取以下五种路径处理生物质材料用以得到生物质衍生的碳基材料：
[0003]一)直接热解法。首先将生物质干燥，随后将其在高温下热解，该方法是最直接、最简便的方法。然而，通过该方法制得的碳材料通常比表面积较小和多孔结构较差，而这两大因素是影响电催化活性的重要因素。
[0004]二)热解与物理活化结合法。首先将生物质材料碳化，然后在高温下用空气、二氧化碳等氧化气体活化。在上述氧化性气体中，CO2由于其清洁、易处理等特点而显示出较大的优势。虽然物理活化法展现出生产生物质衍生碳的环境友好方式，但它却必须面临转化温度高、活化时间长以及孔隙率低的挑战。
[0005]三)热解与化学活化结合法。相比于物理活化法，化学活化不需要过高的转化温度和过长的活化时间。同时，所产生的碳材料表现出较宽的孔径分布和较高的比表面积。该法概括来讲是将生物质前体与活化剂(KOH、NaOH、KHCO3等)混合，然后在300
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950℃下同时进行碳化和活化。虽然化学活化是生产具有多孔结构和高比表面积的生物质衍生的活性炭的有效途径，但由于有害的活化剂和大量的清洁剂使用以及产率低，其广泛应用仍然受到限制。
[0006]四)原位自活化法。原位自活化是生物质与固有的无机盐的一步碳化而无需额外的活化剂，将是生产高表面积碳的有前途的途径。但是此法也有自身的劣势，材料中无机盐含量无法调节，而且材料性能受品种、地域等的限制比较明显。
[0007]五)水热碳化(HTC)技术。HTC过程中涉及的化学反应包括五个步骤：水解、脱水、脱羧、聚合和芳构化，已被广泛探索用于在180
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250℃下制备碳材料。虽然HTC代表了直接从生物质材料生产碳质的低成本工艺，但HTC获得的碳通常具有较少的孔隙和较低比表面积。
[0008]但是目前现有的生物质衍生碳材料的制备方法相对单一且固定，所得材料的性能主要由生物质本身的结构和固有元素分布决定，而且受地域、环境、气候等影响，不能对其进行可控调整。这将导致衍生出的碳材料的元素分布不均、活性位点较少、稳定性较差且不可控，使得生物质衍生碳材料在电催化领域受到限制。为了提供具有更多的活性位点，有些科研者在得到的材料后期通过掺杂金属或金属氧化物的方法来增加催化剂表面的活性位点，提高电催化性能。但是这就可能存在金属元素分布不均匀、不稳定，最终导致在长时间的催化过程中出现脱落的现象，致使循环稳定性能较差，不仅如此，还存在材料的前处理和后期活化耗时长、重复性不好、环境不友好等问题。因此，将其应用于电催化领域可能面临比表面积较小、孔径率低、活性较差等问题。

技术实现思路

[0009]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种生物质衍生多孔碳材料及其制备方法和应用，本专利技术通过改善生物质衍生碳基材料的修饰方法，实现金属颗粒在生物质基碳材料中的可控分布，丰富金属氧化物/生物质衍生碳复合材料手段，使其应用于能源存储与转换装置具有更大潜力。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]一种生物质衍生多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)对豆芽进行培养，待豆芽根须长至5～10cm，将豆芽培养液更换为金属盐溶液，在金属盐溶液中继续进行培养生长；
[0013](2)将步骤(1)生长后的豆芽的茎部清洗后用液氮将其速冻，然后转移至冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到初产物；
[0014](3)将步骤(2)得到的初产物置于惰性气氛中煅烧，得到生物质多孔碳材料。
[0015]优选的，步骤(1)中金属盐溶液浓度为0.05mol/L，所述金属盐溶液为CoCl2、NiCl2或CeCl2。
[0016]优选的，步骤(1)中在金属盐溶液中培养时间为2～3天。
[0017]优选的，步骤(1)中培养生长环境为避光生长。
[0018]优选的，步骤(2)在对豆芽的茎部速冻之前对步骤(1)所得已经吸收金属离子的豆芽掐头去尾，留其茎部，并用蒸馏水清洗2次。
[0019]优选的，步骤(2)中冷冻干燥温度为
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55～
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60℃，压力为5～8Pa。
[0020]优选的，步骤(3)中煅烧温度为800～1100℃，升温速率为1℃/min，煅烧时间为120min。
[0021]本专利技术的第二目的是提供一种由上述任一项所述制备方法制备得到的生物质衍生多孔碳材料。
[0022]本专利技术的第三目的是提供一种由上述任一项所述制备方法制备得到的生物质衍生多孔碳材料在能源存储和转换装置中的应用。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：
[0024]1、本专利技术从对生物质材料的选材方面就区别于传统的生物质材料，如椰子壳、秸秆、锯末、香蕉皮等，该类材料生物质衍生碳材料虽已经被成功制备出来并应用在不同的领域，但是这类材料具有的共性问题就是细胞已经无再生长能力，并且该类原材料受不同地域、年份、气候、品种等客观因素影响较大而无法可控调节。本专利技术选择将生长周期短的根茎类植物豆芽作为生物质材料，以其根茎作为反应器，让其在自由生长同时可控在其内部引入部分金属元素，让金属元素跟随作物的生长均匀分布在作物内部，这样得到的生物质不仅不再受地域、气候、品种等因素的影响，使得所得到的材料性能重现率更高，同时，得到的复合材料金属元素分布均匀，稳定性能优异，该复合材料不仅最大程度的保持了植物自身的孔径结构，同时，实现了金属颗粒在生物质基碳材料中的可控分布，丰富金属氧化物/生物质衍生碳复合材料手段，将其应用于能源存储与转换装置具有巨大潜力。
[0025]2、本专利技术将金属元素置于植物液泡内，外部有植物的细胞壁保护，即使在相对较高温度状态(800～1100℃)下进行碳化，金属离子在转换成金属粒子时一直处于被碳层保护的状态，金属粒子也会均匀的分散在碳材料中而不发生团聚。
附图说明
[0026]图1为本专利技术反应流程图；
[0027]图2为本专利技术豆芽茎碳化后TEM图片；
[0028]图3为本专利技术复合材料的高倍TEM元素分布图；
[0029]图4为本专利技术的复合材料应用于全水分裂的性能图(a)循环稳定性(b)以及自主装的锌
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空电池用于驱动全水分裂装置的实物图；
[0030]图5为本专利技术的复合材料的电池的充放电循环性能图(a)和截取放大图(b)。
具体实施方式
[0031]下面结合本专利技术实施例，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明。
[0032]实施例1
[0033]一种生物质衍生多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0034](1)首先通过豆芽机培养豆芽，此过程无需任何处理，待豆芽根须长至8cm，将豆芽培养液换成浓度为0.05m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对豆芽进行培养，待豆芽根须长至5～10cm，将豆芽培养液更换为金属盐溶液，在金属盐溶液中继续进行培养生长；(2)将步骤(1)生长后的豆芽的茎部清洗后将其速冻，然后转移至冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到初产物；(3)将步骤(2)得到的初产物置于惰性气氛中煅烧，得到生物质多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中金属盐溶液浓度为0.05mol/L，所述金属盐溶液为CoCl2、NiCl2或CeCl2。3.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中在金属盐溶液中培养生长时间为2～3天。4.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中培养生长环...

【专利技术属性】
技术研发人员：于跃，吴远彬，朱宇萍，苏布道，姬丹，高雪，唐媛媛，
申请(专利权)人：内江师范学院，
类型：发明
国别省市：