CN105977505A - 一种以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，属于新能源材料制备领域。本发明选用中药提取后药渣为原料，经微波干燥、碳化、改性处理制备粒子尺寸较小、无团聚的电极材料。本发明所述反应物具有原料易得、成本低廉、反应条件易控、产物产量大、结果重复性好等优点；电极材料为多孔结构，粒子的尺寸较小、比表面积大（935.93~1567.85m2/g）、无团聚。
Description
技术领域
本发明涉及一种以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，属于新能源材料制备领域。
背景技术
锂空气电池（Li-air battery）是一种以金属锂作为负极，空气(或氧气)作为正极，以及碱性水溶液作为电解液组成的一种金属-空气电池。这种锂空气电池放电时，来自大气中的氧气在空气电极(正极)表面还原，形成氧化物或氢氧化物。作为锂空气电池的正极，碳空气电极对电池性能有着重要的影响。因此，选择一种合适的空气电极材料并构筑一种理想的多孔结构对提高锂空气电池的性能非常重要。在常用的空气电极材料中，高比表面积的碳素材料是制备空气电极的首选，因为高比表面意味着可以为电化学反应提供更多的活性点，同时更大的比表面积也将给催化剂提供更多的负载位点，有利于催化剂的均匀分布，提高催化效能。
目前为止，空气极碳素材料仍然是锂空气电池研究的热点之一，也是难点。已被研究用作锂空电极材料的碳素材料主要有活性炭，Vulcan XC-72、Super P、 Ketjen
black、 碳纳米纤维、 碳纳米管、石墨烯或对其进行改性的碳材料，但是这些材料本身及其改性方法复杂、成本较高，且实验条件要求高，不利于商业化应用，仍不能满足锂空气电池对材料的要求。利用中药提取后药渣为原料，制备多孔碳素电极材料你，具有原料易得、成本低廉、工艺简单易控、产物产量大、结果重复性好，制备出粒子尺寸均匀、比表面积大（935.93 ~1567.85m2/g）的碳素电极材料，该方法还未见报道。
发明内容
本发明目的在于：提供一种成本低廉、过程简单、高比表面积（935.93 ~1567.85m2/g）的以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，具体包括以下步骤：
（1）将中药提取后药渣进行微波处理，所述微波处理的条件为微波功率350～550W，微波处理时间为5～20min，然后将微波处理后的中药提取后药渣烘干至恒重；
（2）按步骤（1）所得烘干的中药提取后药渣与改性剂以质量比为1:1～1:6的比例将中药提取后药渣与改性剂混合均匀，然后放入管式炉中进行改性处理得到改性后的中药提取后药渣；所述改性剂为KOH、K2CO3、H3PO4中的一种；
（3）改性后的中药提取后药渣用质量百分比浓度为5～15%的HCl清洗，再用蒸馏水清洗至pH 值为中性，最后烘至恒重，即得到多孔碳素电极材料。
优选的，本发明步骤（1）所述烘干温度为70～110℃。
优选的，本发明步骤（2）所述改性过程为：将样品置于管式炉中，按0.5~1℃/min的升温速率将温度升至180~200℃，保温120~180min；接着，向炉内持续通入氩气并以5~10℃/min的升温速率升温至650～850℃，保温30～120min后随炉冷却。
优选的，本发明步骤（3）所述烘干温度为70～110℃。
本发明所述中药提取后药渣是中草药经过水提取或醇提取后剩余的残渣。
空气电极的材料和结构决定了电池能放出的实际容量，同时，也影响着电池的功率密度、充电效率、循环使用寿命等方面的性能，是电池的关键组成部分之一；由于碳纳米管/线、石墨烯等碳素材料具有优良的导电性能、较好的化学惰性，具有高的比表面积，因而是制备锂空气电池的空气电极优选，因为高的比表面积意味着可以为电化学反应提供更多的反应活性位点，但是，上述材料制备过程复杂，成本相对高昂，制约其实际的应用。能够推进锂空气电池实际应用和推广的空气电极碳素材料，既要有良好的导电性、较好的化学惰性、高的比表面积等，还要具有容易获得、成本较低等利于广泛应用的特点。
本发明的原理：以中草药提取后药渣为原料，经提取后的药渣自身结构组织更加疏松，便于活化剂的侵蚀和润张，从而在改性过程中可以获得大量的多孔结构，且制备的多孔炭材料的粒子尺寸较小、粒度均匀、比表面积大（935.93 ~1567.85m2/g）、无团聚。因为高的比表面积意味着可以为电化学反应提供更多的反应活性位点，从而获得较好的电化学性能。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法原材料易得，成本低廉，反应简单易控，结果重复好。
（2）本发明制备的多孔碳为高纯度碳材料，具有粒子尺寸小、比表面积大（935.93 ~1567.85m2/g）、无团聚等优点；将该高纯度的碳素材料应用于锂空气电池中做空气电极材料组装成锂空气电池进行恒流充放电测试，电流密度为50mA.g-1时首次放电比容量达5063mAh·g-1，据可查资料，这个比容量约是碳纳米管在相同电流密度下首次放电比容量的6.7倍。
（3）本发明是对中草药提取后残渣的回收再利用，从而更好的实现了中草药提取残渣的有效充分利用。
附图说明
图1为实施例1制备得到的碳素电极材料的SEM表面形貌及EDS元素分析；
图2为实施例1制备得到的碳素电极材料的孔径分布情况；
图3为实施例1制备得到的碳素电极材料的首次放电曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述的以中草药经过水提取的药渣制备多孔碳素电极材料的方法，具体包括如下步骤：
（1）将中药提取后药渣进行微波处理，微波功率450W，微波处理时间为10min，然后将微波处理后的中药提取后药渣在70℃下烘干至恒重。
（2）按步骤（1）所得中药提取后药渣与KOH以质量比为1:4的比例混合均匀，然后放入管式炉中进行改性处理得到改性后的中药提取后药渣；改性处理过程中，按1℃/min的升温速率将温度升至200℃，保温120min；接着，向炉内持续通入氩气并以10℃/min的升温速率升温至750℃，保温30min后随炉冷却。
（3）将上述得到的物料用浓度为10%的HCl清洗，再用蒸馏水清洗至pH 值为中性，最后在70℃下烘干至恒重，即得到多孔碳素电极材料。
本实施例所述碳素电极材料的SEM表面形貌及EDS元素分析如图1所示，从图中可以看出，碳素电极材料以球形为主、粒径在10μm左右；从元素分析图中可以看出，材料中除了极少量的可忽略不计的O元素，其余全部为C元素，纯度很高，表明该材料为碳素材料。碳素电极材料的孔半径分布情况如图2所示，从图中可以看出，该电极材料的孔径主要分布在5.6～13nm nm间，该电极材料具有介孔结构；碳素电极材料的首次放电曲线如图3所示；由图可知在50mA.g-1的电流密度下，电极材料首次放电比容量达5000mAh.g-1以上。
实施例2
本实施例所述的以中草药醇提取后残渣制备多孔碳素电极材料的方法，具体包括如下步骤：
（1）将中药提取后药渣进行微波处理，微波功率350W，微波处理时间为5min，然后将微波处理后的中药提取后药渣在110℃下烘干至恒重。
（2）按步骤（1）所得中药提取后药渣与H3PO4以质量比为1:2的比例混合均匀，然后放入管式炉中进行改性处理得到改性后的中药提取后药渣；改性处理过程中，按0.5℃/min的升温速率将温度升至180℃，保温150min；接着，向炉内持续通入氩气并以5℃/min的升温速率升温至650℃，保温120min后随炉冷却。
（3）将上述得到的物料用浓度为5%的HCl清洗，再用蒸馏水清洗至pH 值为中性，最后在90℃下烘干至恒重，即得到多孔碳素电极材料。
本实施例制备得到的碳素电极材料具备多孔结构；应用于锂空气电池的空气电极中，在电流密度为100mA.g-1的电流密度下，电极材料首次放电比容量达1800mAh.g-1以上。
实施例3
本实施例所述的以中草药醇提取后药渣制备多孔碳素电极材料的方法，具体包括如下步骤：
（1）将中药提取后药渣进行微波处理，微波功率550W，微波处理时间为15min，然后将微波处理后的中药提取后药渣在80℃下烘干至恒重。
（2）按步骤（1）所得中药提取后药渣与K2CO3以质量比为1:3的比例混合均匀，然后放入管式炉中进行改性处理得到改性后的中药提取后药渣；改性处理过程中，按1℃/min的升温速率将温度升至190℃，保温180min；接着，向炉内持续通入氩气并以5℃/min的升温速率升温至850℃，保温90min后随炉冷却。
（3）将上述得到的物料用浓度为15%的HCl清洗，再用蒸馏水清洗至pH 值为中性，最后在110℃下烘干至恒重，即得到多孔碳素电极材料。
本实施例制备得到的碳素电极材料具备多孔结构；应用于锂空气电池的空气电极中，在电流密度为100mA.g-1的电流密度下，电极材料首次放电比容量达1800mAh.g-1以上。
Claims (5)
1.一种以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将中药提取后药渣进行微波处理，然后将微波处理后的中药提取后药渣烘干至恒重；
（2）按步骤（1）所得中药提取后药渣与改性剂以质量比为1:1～1:6的比例将中药提取后药渣与改性剂混合均匀，然后放入管式炉中进行改性处理得到改性后的中药提取后药渣；所述改性剂为KOH、K2CO3、H3PO4中的一种；
（3）改性后的中药提取后药渣用质量百分比浓度为5～15%的HCl清洗，再用蒸馏水清洗至pH 值为中性，最后烘至恒重，即得到多孔碳素电极材料。
2.根据权利要求1所述以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，其特征在于：所述微波处理的条件为微波功率350～550W，微波处理时间为5～20min。
3.根据权利要求1所述以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述烘干温度为70～110℃。
4.根据权利要求1所述以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，其特征在于：步骤（2）所述改性过程为：将样品置于炉中，按0.5~1℃/min的升温速率将温度升至180~200℃，保温120~180min；接着，向炉内持续通入氩气并以5~10℃/min的升温速率升温至650～850℃，保温30～120min后随炉冷却。
5.根据权利要求1所述以中药提取后药渣制备碳素电极材料的方法，其特征在于：步骤（3）所述烘干温度为70～110℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160928 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |