CN105384162A - 一种玉米芯基多孔碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料科学领域，公开了一种玉米芯基多孔碳材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将玉米芯洗涤、干燥并破碎；(2)将破碎过的玉米芯在活化剂的水溶液中活化处理，然后取出干燥；(3)将干燥后的产物在惰性气体氛围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用水洗涤，直到中性，将洗涤后的产物干燥，得到玉米芯基多孔碳材料。本发明通过“一步碳化法”，直接制备得到玉米芯基多孔碳材料，制备方法简单廉价，为生物质及多孔碳材料的大批量制备提供参考。制备的玉米芯基多孔碳材料性能优异，应用广泛，多孔碳材料能够用作超级电容器的电极，容量大，稳定性好，实现了生物质资源的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及玉米芯多孔碳材料以及其制备方法，并将制备的多孔碳材料应用于超级电容器，属于材料科学领域。
背景技术
碳材料是世界范围内的研究热点，有很多种形式，包括石墨烯，碳纳米管，碳纤维，碳量子点，多孔碳等。而多孔碳作为一种特殊的碳质材料，具有发达的孔隙、高比表面积、低密度、高导热性、化学性质稳定、机械性质稳定、导电性好等优点，可以应用在很多行业，例如食品加工、医药、化工、石油、矿山、核电、汽车、真空制造业、溶液中有机物和无机金属离子的吸附、有毒气体的吸附、催化剂载体以及超级电容器的电极材料等。
很多含碳物质都可以作为多孔炭的前驱体,总的来看,多孔炭的前驱体可以概括为两大类:(1)含碳的石油化工产品及一些高分子材料,如:煤、石油焦、沥青、聚乙烯、丙烯腈、酚醛树脂、炭纤维等；(2)生物质基含碳材料,主要是竹、木、果壳、果核、木材加工剩余物等,如:葵花壳、花生壳、橘子皮、豆荚、玉米芯、稻壳、椰壳等。
随着全球工业的迅速发展,大量的煤炭、石油等不可再生资源不断被消耗,造成资源的短缺。因此我们必须寻找一种新的能源来减少或者替代不可再生资源的消耗。利用可再生的生物质做为碳源来代替日益枯竭的化石燃料,是未来全国乃至全球发展的方向。由于生物质价格低廉、来源广泛,所以采用生物质作为多孔碳材料的原料未来多孔碳材料领域中的重要组成部分。
生物质被认为是一种优良的碳材料前驱体，目前已经有利用生物质制备碳材料的报道。但是，在目前的研究中，大多数研究需要通过先低温预碳化，再高温碳化来制备生物制基多孔碳材料，制备过程相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玉米芯基多孔碳材料及其制备方法。为了能够充分利用生物质，本发明直接利用玉米芯为生物质原料，通过一步活化碳化的方法，制备多孔碳材料，并将制备的多孔碳用做超级电容的电极材料，实现玉米芯生物质材料的高值化应用。
本发明采用的技术方案如下：
一种玉米芯基多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将玉米芯洗涤、干燥并破碎；
(2)将破碎过的玉米芯在活化剂的水溶液中活化处理，然后取出干燥；
(3)将干燥后的产物在惰性气体氛围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用水洗涤，直到中性，将洗涤后的产物干燥，得到玉米芯基多孔碳材料。
步骤(1)所述玉米芯先洗涤，再进行晾干或干燥处理，并截成一节一节；干燥的温度为50～80℃，也可以自然晾干。所述的破碎可以是用剪切法或粉碎机粉碎成大块。
所述的活化剂为NaOH、KOH、ZnCl2和H3PO4中的一种或两种以上。
所述活化剂和玉米芯的质量比为0.25～4。
所述活化处理时间为5～12h。
所述高温碳化的条件是碳化温度为650℃～850℃，处理时间为1～3小时；或者先300～400℃低温碳化0.5～2h，再650～850℃高温碳化1～3h。
所述高温碳化的升温速率为3～10℃/min。
所述惰性气体为氮气或氩气，气体流速为0.5～1L/min。
步骤(2)干燥的温度为80～100℃，时间为6～20h。
步骤(3)所述最终产物的干燥条件为50～100℃下干燥3～12h。
步骤(3)所述的洗涤方法为，先用1～5M的盐酸洗涤3～5次，再用水洗，直到中性。
上述方法制备的玉米芯基多孔碳材料，其比表面积为：1000～2000m2/g。
所述的玉米芯基多孔碳材料用于制备超级电容器的电极材料或用于吸附或催化。
本发明相对于现有的技术，有以下优点：
(1)本发明以天然的生物质残渣玉米芯为原料，价格便宜，量大，是制备生物制基碳材料的理想前驱体。
(2)本发明通过“直接活化剂溶液浸泡法”，通过一步碳化法制备多孔碳材料，实现了生物质资源的高值化利用。
(3)处理过程简单，仅需加入少量的活化剂就能得到高比表面积的多孔碳材料，大大减少了活化剂对设备的腐蚀，有利于大规模生产。本发明所制备的玉米芯基多孔碳材料性能优异，应用广泛，多孔碳材料能够用作超级电容器的电极，容量大，稳定性好。
附图说明
图1为实施例1制备的玉米芯基多孔碳材料的SEM图。
图2为实施例2制备玉米芯基多孔碳的XRD图。
图3为实施例2制备的多孔碳材料的SEM图。
图4为实施例2制备的多孔碳材料的吸脱附曲线。
图5为实施例2制备的两电极超级电容的循环效率图。
图6是实施例1中没有添加活化剂制备的玉米芯基多孔碳材料的SEM图，abcd为选取该材料不同部位的形态图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
将3g截成短节的玉米芯用放入烧杯中，加入3g的KOH，再加入少量的水没过玉米芯，浸泡8h。将其在烘箱内80℃干燥6h，将干燥好的残渣在氩气的氛围内，750℃碳化1.5h，气体流速为0.5L/min，升温速率为5℃/min。将得到的产物用2M的盐酸洗涤5次，再用水洗到中性，80℃下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料。
从图1可以看出，制得的玉米芯基多孔碳材料具有丰富的孔隙，多孔碳材料的比表面积为：1151.2m2/g。
实施例2
将3g截成短节的玉米芯用放入烧杯中，按质量比0.5:1的比例与KOH固体混合，并加水浸泡10h，然后100℃干燥10h。将干燥后的样品放入舟形样品槽内，在氮气的氛围内，750℃碳化1.5h，气体流速为0.5L/min，升温速率为5℃/min。将得到的产物用2M的盐酸洗涤5次，再用水洗到中性，80℃下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料。
从图3可以看出，制得的玉米芯基多孔碳材料具有丰富的孔隙，多孔碳材料的比表面积为：1182.7m2/g。通过该法成功制备出了玉米芯多孔碳材料。
用制得的玉米芯基多孔碳材料为原料(80wt％)，与乙炔黑(10wt％)和PTFE(10wt％)混合，制成半干浆料，压在泡沫镍上(15MPa)，制备成电极，并对其电化学性能进行测试。当电流密度为1Ag-1时，电容高达394.9F·g-1，循环充放电10000次以后电容几乎没有损失(如图5)。
实施例3
将3g截成短节的玉米芯用放入烧杯中，按质量比0.5:1的比例与KOH固体混合，并加水浸泡10h，然后100℃干燥8h。将干燥后的样品放入舟形样品槽内，在氩气的氛围内，先300℃，碳化1h，升温速率为5℃/min，再750℃碳化1.5h，气体流速为0.5L/min，升温速率为3℃/min。将得到的产物用2M的盐酸洗涤5次，再用水洗到中性，80℃下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料，其比表面积为：1577.7m2/g。
实施例4
将3g截成短节的玉米芯用放入烧杯中，将干燥好的残渣按质量比1:1的比例与NaOH固体混合，在氩气的氛围内，750℃碳化2h，气体流速为0.5L/min，升温速率为5℃/min。将得到的产物用2M的盐酸洗涤5次，再用水洗到中性，80℃下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料，其比表面积为：1550m2/g。
实施例5
将3g截成短节的玉米芯用放入烧杯中，将干燥好的残渣按质量比3:1的比例与ZnCl2固体混合，在氮气的氛围内，750℃碳化2h，气体流速为0.5L/min，升温速率为5℃/min。将得到的产物用2M的盐酸洗涤5次，再用水洗到中性，80℃下干燥12h，得到玉米芯基多孔碳材料，其比表面积为：539.1m2/g。
对比例
按照实施例1，因为玉米芯原料各个部位结构不同，没有添加活化剂制得的碳材料保留了玉米芯原料的部分形态，形态多样，不具有丰富的孔隙(如图6)。其比表面积比较小，为6.02m2/g。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种玉米芯基多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将玉米芯洗涤、干燥并破碎；
(2)将破碎过的玉米芯在活化剂的水溶液中活化处理，然后取出干燥；
(3)将干燥后的产物在惰性气体氛围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用水洗涤，直到中性，将洗涤后的产物干燥，得到玉米芯基多孔碳材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的活化剂为NaOH、KOH、ZnCl2和H3PO4中的一种或两种以上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述活化剂和玉米芯的质量比为0.25～4。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述活化处理时间为5～12h。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，所述高温碳化的条件是碳化温度为650℃～850℃，处理时间为1～3小时；或者先300～400℃低温碳化0.5～2h，再650～850℃高温碳化1～3h。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高温碳化的升温速率为3～10℃/min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气，气体流速为0.5～1L/min。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)干燥的温度为80～100℃，时间为6～20h；步骤(3)所述最终产物的干燥条件为50～100℃下干燥3～12h。
9.权利要求1～8中任一项方法制备得到的玉米芯基多孔碳材料，该多孔碳材料的比表面积为：1000～2000m2/g。
10.权利要求9所述的玉米芯基多孔碳材料用于制备超级电容器的电极材料或用于吸附或催化。
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