CN106744789A - 一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用。具体的步骤首先利用酸沉淀法提取黑液中的木质素，然后在乙醇的水热处理过程中得到球形的木质素，之后再高温处理进而制备球形的多孔的活性炭，在超级电容器中体现出良好的电容性能。整个制备过程工艺简单，由于木质素廉价易得，同时也降低成本，不仅减小造纸黑液的污染问题，而且还会带来巨大的生态效益和经济效益。

Description

一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用
技术领域
本发明涉及一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用的方法，具体涉及通过水热合成球形木质素然后高温热处理方法制备球形多孔炭在超级电容器中的应用。
背景技术
能源危机与环境污染问题日益严重，给全球带来了巨大的压力，人们逐渐将目光转移到废物利用上来，这不仅可以充分地利用资源，节约能源，而且可以有效地减少环境污染，提高环境质量。造纸黑液是制浆造纸工艺中主要的副产物，黑色粘稠状液体，伴有特殊恶臭味，并且含有20％～30％的木质素，由于木质素结构复杂，生物降解难，因此是全球主要污染源之一。木质素是一类含有丰富的醇羟基和酚羟基的天然的高分子化合物，是植物中的第二大组成部分。近年来，随着环境污染和化工原料的紧缺，木质素因其自身的分子结构，而且是可再生的，具有无污染可降解的特点，木质素被广泛的用在化工、材料等领域中。由于木质素含碳量大，可以利用木质素作为碳源制备多孔，使多孔炭有更广泛的应用于更多领域，如超级电容器电极材料、催化剂载体、储能材料等等。如果能将造纸黑液中木质素资源充分利用的话，不仅减小造纸黑液的污染问题，而且还会带来巨大的生态效益和经济效益。专利CN102633252A一种利用木质素磺酸盐制备超级电容器用多孔炭的方法公开了一种利用木质素磺酸盐制备超级电容器用多孔炭的方法，具体步骤是将木质素磺酸钙或木质素磺酸镁置于氮气或氩气气氛中于600～800℃保持1～4小时，冷却至室温后，浸泡在质量浓度为10～30％的稀盐酸或稀硝酸中，采取超声分散至分布均匀，再搅拌不少于6小时，然后进行抽滤，水洗至洗出液为中性，干燥即得到可用于制造超级电容器用的多孔炭材料。本发明制备方法简单，操作简便；所制得的多孔炭材料可用于制备超级电容器，表现出良好的电容特性。专利CN103253651A一种木质素基多孔碳材料及其制备方法公开了一种木质素基多孔碳材料及其制备方法，涉及主要步骤是以生物质资源木质素为初始原料，先采用低温预碳化得到碳化中间体，然后进入高温炉中在惰性气氛的保护下快速升温碳化制备得到木质素基多孔碳材料，其对废水中的重金属离子具有优异的吸附能力。本发明的方法以生物质资源为原料，且在整个制备过程中不使用ZnCl2、强酸、强碱等对环境有危害的化学品，该工艺对设备的要求低，具有对环境友好、成本低、性能优等绿色化学的特点，适合大规模生产，且有利于重金属污染废水的治理和缓解造纸黑液对环境的压力。专利CN104576077A一种石墨烯/木质素基活性炭的制备方法及在超级电容器中的应用提供了一种石墨烯/木质素基活性炭的制备方法及在超级电容器中的应用，具体步骤1)木质素基活性炭的制备，2)混合氧化石墨与活性炭，得到氧化石墨/木质素基活性炭复合物，3)将复合物通过碱活化后，高温裂解还原，制得石墨烯/木质素基活性炭复合材料，4)制备电极片。与现有技术相比，本发明所得到的石墨烯/木质素基活性炭提供了更大的比表面、更小的传质阻力和更优异的导电率。此外，所合成的石墨烯/木质素基活性炭应用于超级电容的电极材料，在成本和性能上大大优于现有的活性炭材料。专利CN102633252A一种利用木质素磺酸盐制备超级电容器用多孔炭的方法公开了一种利用木质素磺酸盐制备超级电容器用多孔炭的方法，涉及具体步骤是将木质素磺酸钙或木质素磺酸镁置于氮气或氩气气氛中于600～800℃保持1～4小时，冷却至室温后，浸泡在质量浓度为10～30％的稀盐酸或稀硝酸中，采取超声分散至分布均匀，再搅拌不少于6小时，然后进行抽滤，水洗至洗出液为中性，干燥即得到可用于制造超级电容器用的多孔炭材料。本发明制备方法简单，操作简便；所制得的多孔炭材料可用于制备超级电容器，表现出良好的电容特性。
以上专利中，大部分专利利用木质素原料是集中在生物质中的木质素或者是木质素磺酸盐，未见公开利用造纸黑液中的木质素制备多孔炭的专利。
发明内容
为实现本发明所提供的技术方案是：
(1)木质素的提取
量取黑液，置于恒温水浴中反应温度为90℃，利用酸调节pH值为2，恒温8h，冷却至室温，固液分离，固体用蒸馏水洗至中性，在鼓风干燥箱中烘干，温度为100℃，时间12h，即得木质素粉末；
(2)球形木质素的制备
称取2g的木质素溶解于0～95％的乙醇溶液中，固液比为1∶10，加入一定质量的锌盐，锌盐和木质素的质量比为2∶1～1∶4，放入反应釜中，反应温度150～190℃，反应时间为8～24h，之后固液分离，洗涤干燥，即得球形木质素；
(3)将步骤(2)制备得到的球形木质素浸泡在50ml的氮源的水溶液中，氮源和木质素的质量比为1∶1～1∶10，浸泡12h，在鼓风干燥箱中100℃烘干12h，然后在管式炉中进行热处理，通入惰性气体，炭化温度为500～1000℃，时间2h，之后利用酸溶液反复浸泡洗涤，去离子水洗至中性，鼓风干燥箱中100℃，干燥12h，即得球形的多孔炭。
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1：
(1)木质素的提取
量取黑液，置于恒温水浴中反应温度为90℃，利用酸调节pH值为2，恒温8h，冷却至室温，固液分离，固体用蒸馏水洗至中性，在鼓风干燥箱中烘干，温度为100℃，时间12h，即得木质素粉末；
(2)球形木质素的制备
称取2g的木质素溶解于35％的乙醇溶液中，固液比为1∶10，加入一定质量的醋酸锌，醋酸锌和木质素的质量比为2∶1，放入反应釜中，反应温度180℃，反应时间为12h，之后固液分离，洗涤干燥，即得球形木质素；
(3)将步骤(2)制备得到的球形木质素浸泡在50ml的尿素的水溶液中，尿素和木质素的质量比为1∶1，浸泡12h，在鼓风干燥箱中100℃烘干12h，然后在管式炉中进行热处理，通入惰性气体，炭化温度为900℃，时间2h，之后利用酸溶液反复浸泡洗涤，去离子水洗至中性，鼓风干燥箱中100℃，干燥12h，即得球形的多孔炭。
实施例2：改变乙醇的浓度为55％，其他步骤同实施例1，得到球型多孔炭。
实施例3：改变木质素和醋酸锌的质量比为1∶1，其他步骤同实施例1，得到球形多孔炭。
实施例4：改变尿素和木质素的质量比为1∶3，其他步骤同实施例1，得到球形多孔炭。

Claims (4)

1.一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用，具体步骤如下：
(1)木质素的提取
量取黑液，置于恒温水浴中反应温度为90℃，利用酸调节pH值为2，恒温8h，冷却至室温，固液分离，固体用蒸馏水洗至中性，在鼓风干燥箱中烘干，温度为100℃，时间12h，即得木质素粉末；
(2)球形木质素的制备
称取2g的木质素溶解于0～95％的乙醇溶液中，固液比为1∶10，加入一定质量的锌盐，锌盐和木质素的质量比为2∶1～1∶4，放入反应釜中，反应温度150～190℃，反应时间为8～24h，之后固液分离，洗涤干燥，即得球形木质素；
(3)将步骤(2)制备得到的球形木质素浸泡在50ml的氮源的水溶液中，氮源和木质素的质量比为1∶1～1∶10，浸泡12h，在鼓风干燥箱中100℃烘干12h，然后在管式炉中进行热处理，通入惰性气体，炭化温度为500～1000℃，时间2h，之后利用酸溶液反复浸泡洗涤，去离子水洗至中性，鼓风干燥箱中100℃，干燥12h，即得球形的多孔炭。
2.一种如权利要求1所述的一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用，其特征在于：木质素可以是黑液中木质素、碱木质素、酸性木质素、醇解木质素。
3.一种如权利要求1所述的一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用，其特征在于：氮源可以是尿素、磷酸铵、三聚氰胺。
4.一种如权利要求1所述的一种利用木质素制备多孔炭以及在超级电容器中的应用，其特征在于：锌盐可以是硝酸锌、醋酸锌、氯化锌。
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