CN109019596A - 一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用 - Google Patents
一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109019596A CN109019596A CN201810779133.1A CN201810779133A CN109019596A CN 109019596 A CN109019596 A CN 109019596A CN 201810779133 A CN201810779133 A CN 201810779133A CN 109019596 A CN109019596 A CN 109019596A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- biomass carbon
- covalent bond
- carbon material
- preparation
- bond functionalization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims abstract description 17
- KHUFHLFHOQVFGB-UHFFFAOYSA-N 1-aminoanthracene-9,10-dione Chemical class O=C1C2=CC=CC=C2C(=O)C2=C1C=CC=C2N KHUFHLFHOQVFGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 241000894007 species Species 0.000 claims abstract description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 30
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 18
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 10
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 2
- 241001079064 Zanthoxylum schinifolium Species 0.000 claims 3
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 57
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 49
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 33
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 10
- 244000302909 Piper aduncum Species 0.000 abstract description 6
- 235000016761 Piper aduncum Nutrition 0.000 abstract description 6
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 2
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 abstract 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 abstract 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 abstract 1
- 244000089698 Zanthoxylum simulans Species 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 6
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 4
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- DKAGJZJALZXOOV-UHFFFAOYSA-N hydrate;hydrochloride Chemical compound O.Cl DKAGJZJALZXOOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 3
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 241000446313 Lamella Species 0.000 description 1
- 206010054949 Metaplasia Diseases 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 238000000627 alternating current impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229940075397 calomel Drugs 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 229960000935 dehydrated alcohol Drugs 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000015689 metaplastic ossification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 235000015320 potassium carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003112 potassium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/342—Preparation characterised by non-gaseous activating agents
- C01B32/348—Metallic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/354—After-treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
本发明提供了一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，是以生物质花椒籽为原材料，通过洗涤，干燥，研磨，活化，在氮气气氛中高温热处理，酸洗，再以有机分子有机分子1‑氨基蒽醌、2,3‑二氯‑1,4‑奈醌反应，得到机分子非共价键功能化的生物质碳复合材料。物理表征结果显示，本发明的产品具有较大的比表面积和丰富的多级孔道结构。电化学性能测试结果显示，本产品具有高的比电容，适合作为电极材料应用于超级电容器。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法；本发明还涉及该生物质多孔碳材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用，属于生物质材料与电化学技术领域。
背景技术
超级电容器是一种性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能元件，因其能提供比传统电容器更高的能量密度，比电池更高的功率密度，可实现瞬间大电流放电，充电时间短，效率高，使用寿命长，绿色无污染，因此，被广泛应用于信息技术、电动汽车、航天航空和国防科技等多个领域。
超级电容器根据其储能方式不同，可以分为：依靠在电极材料和电解液界面形成双电层来储存电荷的双电层电容器；依靠电极活性材料在充放电过程中发生法拉第氧化还原过程来储存能量的法拉第赝电容器。电极材料是决定超级电容器性能的最关键因素，主要分为以下三大类：碳材料、金属（氢）氧化物和导电聚合物。超级电容器电极的碳材料主要有多孔碳、活性炭、碳黑、碳纤维、玻璃碳、碳气溶胶、碳纳米管等。其中多孔碳材料因为其比表面积大，孔隙结构丰富，原料广泛，价格低廉，制备工艺简单，化学稳定性好，导电性好，绿色环保，可再生等的优越性能，而受到研究者的重点关注。但双电层多孔碳材料属于双电层储能机理，从而限制了它的比电容和能量密度。而有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料与传统的双电层碳材料相比，可以通过引入具有高度电化学活性的氧化还原官能团的有机分子，进而发生法拉第反应来改善电化学电容性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料作为超级电容器电极材料的应用。
一、有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备
本发明有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）生物质碳材料的制备：将花椒籽粉末与氢氧化钾粉末按1:1~1:6（优选1:3）的质量比混合后研磨1~2h，加入蒸馏水，搅拌反应20~24h，在60~80℃干燥10~12h；然后在氮气气氛中，以3~5℃min-1的速率升温至700~900℃，保持30~120 min，然后冷却至室温，用0.5~1mol/LHCl和蒸馏水依次洗涤，最后在50~80℃下干燥，即得生物质碳材料；标记为A15。
我国是花椒的第一大生产国，产量十分丰富。许多人都不知道，我们平时吃的花椒其实是花椒果实的外皮，花椒果实里边还有花椒籽，但是好多花椒籽被废弃填埋或者焚烧，随着花椒的开发利用，造成十分严重的浪费，而且还污染环境。采用花椒籽废渣制备生物质炭应用在超级电容器中，不仅实现了废物利用，还可以增加经济效益，且它还是一种环境友好型的可再生能源。
花椒籽粉末与氢氧化钾混合，放入管式炉中，惰性气氛下加热，当活化温度超过973 K 时, K2CO3 开始分解为 CO2 和 K2O。碳基质中高微孔率的形成通常归因于化学活化（例如钾化合物与碳之间的氧化还原反应产生碳酸盐），物理活化（例如碳与CO 2的气化）和金属K嵌入引起的碳晶格膨胀的协同结果。具体的反应如下：
6KOH + 2C = 2K + 3H2 + 2K2CO3 (1)
K2CO3 = K2O + CO2 (2)
K2CO3 = 2C + K2O (3)
K2O + C = 2K + CO (4)
（2）有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备：将上述制备的生物质碳材料分别与有机分子1-氨基蒽醌、2,3-二氯-1,4-奈醌以5:1~5:5（优选5:4）的质量比溶解在丙酮中，搅拌反应10~12h，在70~80℃下干燥，即得有机分子非共价键功能化生物质碳材料，分别标记为H5、H15。
二、有机分子非共价键功能化生物质碳材料的结构表征
1、场发射扫描电镜（FE-SEM）分析
图1a-d为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的不同放大倍数场发射扫描电镜(FE-SEM)图片。从图1中可以看出，生物质多孔碳材料是相互交联的多级孔道类石墨烯纳米片层结构。
2、红外光谱图（FT-IR）分析
图2分别为A15、H5、H15的红外光谱图（FT-IR）。从图2可以看出，有机分子非共价功能化生物质多孔碳（H5，H15）和生物质碳材料多孔碳（A15）的吸收峰的出峰位置几乎一致（可能是碳材料对红外线的高吸收性所致），但略有偏差，表明花椒籽多孔碳材料成功地被有机分子功能化。
3、X衍射谱图（XRD）分析
图3分别为A15、H5、H15的的X衍射谱图（XRD）。图3中，生物质碳材料多孔碳（A15）在角度为22°处均有一个宽的衍射峰，对应于石墨化碳的002晶面，表明该材料呈无定形结构。对于有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料，其保持了生物质多孔碳材料的谱图特征，这表明有机化合物是以分子的形式被固定在生物质多孔碳材料表面，因此复合材料中不存在有机小分子晶体。
4、N2吸脱附分析
图4为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的N2吸脱附曲线。可以看出，N2吸脱附曲线可归类于第I和IV曲线的结合。通过比表面积（BET）方法可计算得出A15、H5、H15的比表面积分别为1494.6 m2 g-1、265.4040 m2 g-1、343.6008 m2 g-1。有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的多孔结构可以通过图5中的孔尺寸分布曲线进一步确认。A15、H5、H15的孔体积分别为0.9696 cm3 g-1、0.2884 cm3 g-1、0.3329 cm3 g-1，生物质多孔碳材料A15和有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5、H15的微孔主要集中于0.93nm、1.09 nm、1.18 nm处，2~200 nm处连续的孔分布是大孔和介孔的存在，这说明有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料是多级孔隙结构。
三、电化学性能
下面通过电化学工作站CHI660B对本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的电化学性能表征进行详细说明。
1、超级电容器电极的制备：分别将A15、H5、H15和乙炔黑的混合固体粉末共4.7 mg（A15、H5、H15与乙炔黑的质量百分数分别85%、15%）加入到0.4 mL质量分数为0.25 wt%的Nafion溶液中超声分散形成悬浮液。然后用移液枪量取6 μL上述悬浮液滴于玻碳电极表面，待室温下干燥后用于测试。
2、电化学性能测试
分别以上述制备的电极为工作电极，铂网为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系。采用1 mol L-1 H2SO4溶液作为电解质溶液，电位窗口范围为-0.4~0.6V。图6显示，A15的循环伏安（CV）曲线显示出矩形形状（图6a）。而图6b、c有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5、H15的CV曲线上存在氧化还原峰，这是产生法拉第电容的特征。图6d为A15、H5、H15在扫描速率为15 mV s-1条件下的CV曲线，表明H5、H15CV曲线积分面积要比A15大，这是因为该复合材料将双电层储能和法拉第储能机理相结合，增大了材料的整体比电容。
图7为A15、H5、H15作为超级电容器电极材料在1 mol L-1 H2SO4电解质溶液中电势窗口范围为-0.4~0.6V，不同电流密度下的恒电流充放电曲线图。当电流密度为1 A g-1时，生物质多孔碳材料A15、有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5、H15的比电容分别为234 F g-1、290 F g-1、295 F g-1，说明A15、H5、H15具有较高的比电容和宽的电位窗口，具有做超级电容器电极材料的潜能。
图8为A15、H5、H15在频率范围为100k Hz-0.1 Hz下的交流阻抗图谱。每一个阻抗谱有一个半圆的弧和直线。在高频区，阻抗谱在实轴上的截距代表的阻抗即等效串联内阻，由电解液的电阻、活性炭颗粒间及电极活性物质与集流体之间的接触电阻组成；中频区阻抗 45°曲线表示 Warburg 扩散阻抗的特征，即离子向多孔碳材料-电解液界面的孔结构的半无限扩散；在低频区，曲线与虚轴接近平行的特点表现出材料均具有良好的电容特性。
综上所述，本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料显示出较高的比电容和优良的倍容率，因此可以作为超级电容器电极材料。此外，本发明的多孔碳材料的合成路线简单，易于操作，成本低廉，安全高效且绿色环保，能够实现大规模生产，作为超级电容器电极材料具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的场发射扫描电镜（FE-SEM）图片。
图2为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的红外谱图（FT-IR）。
图3为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的X衍射谱图（XRD）。
图4为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料N2吸脱附图。
图5为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料比表面积（BET）和孔径分布。
图6为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料电极在1mol/LH2SO4电解质溶液中不同扫描速率下的循环伏安曲线图。
图7为本发明制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料电极在1mol/LH2SO4电解质溶液中不同电流密度下的恒电流充放电曲线图。
图8为本发明生物质碳复合材料的交流阻抗图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料制备及其电极材料的制备和电化学性能作进一步详细的说明。
使用的仪器和试剂：CHI660B电化学工作站 (上海辰华仪器公司) 用于电化学性能测试；电子天平 (北京赛多利斯仪器有限公司)用于称量药品；FE-SEM（Ultra Plus，CarlZeiss，Germany）场发射扫描电子显微镜用于材料的形貌表征；FTS3000型傅里叶红外光谱仪（美国DIGILAB公司）用来分析组成。氢氧化钾（白银西区银环化学试剂厂），乙炔黑（湖南省桂阳谭沙石墨厂），花椒籽（甘肃省天水市秦州区市场购买），1-氨基蒽醌，2,3-二氯-1,4-奈醌（阿法埃莎中国化学有限公司），无水乙醇（安徽安特生物化学有限公司），玻碳电极（上海众维新材料有限公司）。实验过程中使用的水均为二次蒸馏水，实验所用的试剂均为分析纯。
实施例1
（1）生物质多孔碳材料A15的制备：将1g花椒籽粉末与3g氢氧化钾粉末混合，在研钵中研磨2 h，加入20 mL的蒸馏水，搅拌24h，使其充分反应，80℃干燥12h，然后在氮气气氛中以5℃min-1的速率升温至800℃，保持 120min，冷却至室温，用1mol L-1HCl和蒸馏水多次洗涤，70℃下干燥，得0.1348g生物质多孔碳材料A15。
（2）生物质多孔碳材料电极的制备：将4 mg的生物质多孔碳材料A15和0.7 mg的乙炔黑（质量比为85:15）在研钵中充分研磨均匀，随后将混合粉末加入到0.4 mL质量分数为0.25 wt%的Nafion溶液中超声分散形成悬浮液；然后用移液枪量取6 μL上述悬浮液滴于玻碳电极表面，待室温下干燥后用于测试。
（3）电化学性能测试：以生物质多孔碳材料电极为工作电极，以铂网为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系。采用1 mol L-1 H2SO4溶液作为电解质溶液，电位窗口范围为-0.4~0.6V。当电流密度为1 A g-1时，电极材料的比电容可以达234 F g-1，因此采用花椒籽粉末与氢氧化钾粉末以质量比为1:3的材料作为最终生物质多孔碳电极材料。
实施例2
（1）生物质多孔碳材料A15的制备：将1g花椒籽粉末与3g氢氧化钾粉末混合，在研钵中研磨2 h，加入20 mL的蒸馏水，搅拌24h，使其充分反应， 80℃干燥12h，然后在氮气气氛中以 5℃min-1的速率升温至800℃，保持 120min，冷却至室温，用1mol L-1HCl和蒸馏水多次洗涤， 70℃下干燥，得0.1348g生物质多孔碳材料A15。
（2）有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5制备：将0.04g的1-氨基蒽醌溶解在50mL丙酮中，超声处理30min；然后加入0.05g上述制备的生物质多孔碳材料A15（A15与1-氨基蒽醌质量比分别为5:4），搅拌12h，在70℃下干燥，即得H5。
（3）有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料(H5)电极的制备：将4 mg的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料和0.7 mg的乙炔黑（质量比为85:15）在研钵中充分研磨均匀，随后将混合粉末加入到0.4 mL质量分数为0.25 wt%的Nafion溶液中超声分散形成悬浮液。然后用移液枪量取6 μL上述悬浮液滴于玻碳电极表面，待室温下干燥后用于测试。
（4）电化学性能测试：以有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料(H5)电极为工作电极，以铂网为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系。采用1 mol L-1H2SO4溶液作为电解质溶液，电位窗口范围为-0.4~0.6V。当电流密度为1 A g-1时，电极材料的比电容可以达到290 F g-1，这说明有机小分子1-氨基蒽醌非共价键功能化修饰的生物质碳材料具有大的比电容。
实施例3
（1）生物质多孔碳材料A15的制备：将1g花椒籽粉末与3g氢氧化钾粉末混合，在研钵中研磨2 h，加入20 mL的蒸馏水，搅拌24h，使其充分反应， 80℃干燥12h，然后在氮气气氛中以 5℃min-1的速率升温至800℃，保持 120min，冷却至室温，用1mol L-1HCl和蒸馏水多次洗涤， 70℃下干燥，得0.1348g生物质多孔碳材料A15。
（2）有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料(H15)制备：将0.04g的2,3-二氯-1,4-奈醌溶解在50mL丙酮中，超声处理30min，然后加入0.05g上述制备的生物质多孔碳材料A15（A15与2,3-二氯-1,4-奈醌质量比为5:4）混合，搅拌12h，在70℃下干燥，即得H15。
（3）有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料(H15)电极的制备：将4 mg的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料(H15)和0.7 mg的乙炔黑（质量比为85:15）在研钵中充分研磨均匀，随后将混合粉末加入到0.4 mL质量分数为0.25 wt%的Nafion溶液中超声分散形成悬浮液。然后用移液枪量取6 μL上述悬浮液滴于玻碳电极表面，待室温下干燥后用于测试。
（4）电化学性能测试：以有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料(H15)电极为工作电极，以铂网为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系。采用1 mol L-1H2SO4溶液作为电解质溶液，电位窗口范围为-0.4~0.6V。当电流密度为1 A g-1时，电极材料的比电容可以达到295 F g-1，这说明有机小分子2,3-二氯-1,4-奈醌非共价键功能化修饰的生物质碳材料H15具有大的比电容。
Claims (6)
1.一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）生物质碳材料的制备：将花椒籽粉末与氢氧化钾粉末混合后研磨1~2h，加入蒸馏水，搅拌反应20~24h，在60~ 80℃干燥10~12h；然后在氮气气氛中，以3~5℃min-1的速率升温至700~900℃，保持30~120 min，然后冷却至室温，用0.5~1mol /LHCl和蒸馏水依次洗涤，最后在50~80℃下干燥，即得生物质碳材料；
（2）有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备：将上述制备的生物质碳材料分别与有机分子1-氨基蒽醌、2,3-二氯-1,4-奈醌溶解在丙酮中，搅拌反应10~12h，在70~80℃下干燥，即得有机分子非共价键功能化生物质碳材料。
2.如权利要求1所述一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，花椒籽粉末与氢氧化钾粉末按1:1~1:6的质量比混合。
3.如权利要求1所述一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，花椒籽粉末与氢氧化钾粉末按1:3的质量比混合。
4.如权利要求1所述一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述生物质碳材料与有机分子1-氨基蒽醌、2,3-二氯-1,4-奈醌的质量比为5:1~5:5。
5.如权利要求1所述一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述生物质碳材料与有机分子1-氨基蒽醌、2,3-二氯-1,4-奈醌的质量比为5:4。
6.如权利要求1所述方法制备的有机分子非共价键功能化生物质碳材料作为超级电容器电极材料的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810779133.1A CN109019596A (zh) | 2018-07-16 | 2018-07-16 | 一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810779133.1A CN109019596A (zh) | 2018-07-16 | 2018-07-16 | 一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109019596A true CN109019596A (zh) | 2018-12-18 |
Family
ID=64643187
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810779133.1A Pending CN109019596A (zh) | 2018-07-16 | 2018-07-16 | 一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109019596A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110550630A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-10 | 西北师范大学 | 菲醌功能化氮掺杂多孔碳纳米纤维网络结构复合材料的制备及应用 |
| CN111530428A (zh) * | 2020-05-20 | 2020-08-14 | 鲁东大学 | 一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法和应用 |
| CN112645325A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-13 | 陇东学院 | 一种基于蓖麻籽渣的生物质多孔碳材料的制备方法及其应用 |
| CN114974922A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-08-30 | 滁州学院 | 一种铝离子混合电容器用硫掺杂碳纳米片的制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103274399A (zh) * | 2013-05-07 | 2013-09-04 | 韩城市金太阳花椒油脂药料有限责任公司 | 花椒枝木热解生产活性炭的方法 |
| CN103274400A (zh) * | 2013-05-07 | 2013-09-04 | 西北农林科技大学 | 沙柳枝木热解生产活性炭的方法 |
| CN104724693A (zh) * | 2015-03-06 | 2015-06-24 | 苏州大学 | 基于有机盐的3d多孔碳材料、制备方法及其应用 |
| CN104867702A (zh) * | 2015-04-30 | 2015-08-26 | 河海大学 | 一种蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法 |
| US20150344310A1 (en) * | 2014-05-27 | 2015-12-03 | Qatar University | Method of synthesizing carbon nanorods and nanowires |
| CN105374575A (zh) * | 2015-01-14 | 2016-03-02 | 中国石油大学(华东) | 一种表面功能化多孔碳超级电容器电极材料的制备方法 |
-
2018
- 2018-07-16 CN CN201810779133.1A patent/CN109019596A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103274399A (zh) * | 2013-05-07 | 2013-09-04 | 韩城市金太阳花椒油脂药料有限责任公司 | 花椒枝木热解生产活性炭的方法 |
| CN103274400A (zh) * | 2013-05-07 | 2013-09-04 | 西北农林科技大学 | 沙柳枝木热解生产活性炭的方法 |
| US20150344310A1 (en) * | 2014-05-27 | 2015-12-03 | Qatar University | Method of synthesizing carbon nanorods and nanowires |
| CN105374575A (zh) * | 2015-01-14 | 2016-03-02 | 中国石油大学(华东) | 一种表面功能化多孔碳超级电容器电极材料的制备方法 |
| CN104724693A (zh) * | 2015-03-06 | 2015-06-24 | 苏州大学 | 基于有机盐的3d多孔碳材料、制备方法及其应用 |
| CN104867702A (zh) * | 2015-04-30 | 2015-08-26 | 河海大学 | 一种蒽醌分子非共价修饰石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BINGSHU GUO ET AL.: "Redox-active organic molecules functionalized nitrogen-doped porous carbon derived from metal-organic framework as electrode materials for supercapacitor", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 * |
| 王亚非 等: "K2CO3活化制备花椒籽废渣的活性炭及其对对硝基苯酚的吸附性能", 《应用化学》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110550630A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-10 | 西北师范大学 | 菲醌功能化氮掺杂多孔碳纳米纤维网络结构复合材料的制备及应用 |
| CN111530428A (zh) * | 2020-05-20 | 2020-08-14 | 鲁东大学 | 一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法和应用 |
| CN111530428B (zh) * | 2020-05-20 | 2023-02-24 | 鲁东大学 | 一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法和应用 |
| CN112645325A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-13 | 陇东学院 | 一种基于蓖麻籽渣的生物质多孔碳材料的制备方法及其应用 |
| CN114974922A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-08-30 | 滁州学院 | 一种铝离子混合电容器用硫掺杂碳纳米片的制备方法 |
| CN114974922B (zh) * | 2022-04-14 | 2024-05-28 | 滁州学院 | 一种铝离子混合电容器用硫掺杂碳纳米片的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109019596A (zh) | 一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用 | |
| Zhu et al. | Recycling PM2. 5 carbon nanoparticles generated by diesel vehicles for supercapacitors and oxygen reduction reaction | |
| CN103708437B (zh) | 一种锂离子电池软碳负极材料、其制备方法及锂离子电池 | |
| CN109148838B (zh) | 钠离子电池负极材料及其制备方法和应用 | |
| CN114956037B (zh) | 一种钠离子电池负极用碳材料及其制备方法以及钠离子电池负极极片和钠离子电池 | |
| CN101800131B (zh) | 一种活性碳基材料及其制备方法 | |
| CN108059144B (zh) | 一种生物质废料甘蔗渣制备的硬碳及其制备方法和应用 | |
| Hu et al. | A Stable Biomass‐Derived Hard Carbon Anode for High‐Performance Sodium‐Ion Full Battery | |
| CN109081342A (zh) | 一种海枣叶生物质多孔活性炭及其制备方法和应用 | |
| CN103165869B (zh) | 改性中间相负极材料、锂离子二次电池及制备方法和应用 | |
| CN104409225A (zh) | 二氧化锰/碳微球复合材料的制备及其作为超级电容器电极材料的应用 | |
| CN103078087B (zh) | 一种钛酸锂/碳纳米管复合负极材料的制备方法 | |
| CN105540585A (zh) | 利用含羞草制备超级电容器电极材料的方法 | |
| CN102214514A (zh) | 一种超级电容器用高比电容活性炭电极材料的生产方法 | |
| CN106099108A (zh) | 一种电池级石墨/活性炭复合材料的制备方法 | |
| CN104409219A (zh) | 六边形二氧化锰纳米片材料的制备及其作为超级电容器电极材料的应用 | |
| CN114408919B (zh) | 一种基于椰壳材料的高温热冲击碳化和koh活化的多孔碳材料、制备方法及应用 | |
| CN105800613A (zh) | 一种基于石墨烯复合改性超级电容器用活性炭的制备方法 | |
| Tu et al. | Biomass-based porous carbon for high-performance supercapacitor electrode materials prepared from Canada goldenrod | |
| CN105923632A (zh) | 一种基于石墨烯复合改性超级电容器用活性炭的制备方法 | |
| CN109860645B (zh) | 一种生物胶固氮掺杂多孔碳的制备方法及其应用 | |
| CN115028156A (zh) | 一种机械化学法制备氮掺杂无烟煤基碳材料的方法及应用 | |
| CN112919449B (zh) | 一种硼氮共掺杂多孔碳微球材料及其制备方法 | |
| CN109319762A (zh) | 具有超高比表面积的生物质多孔碳材料的制备及作为电极材料的应用 | |
| CN110993363B (zh) | 一种超级电容电极碳材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181218 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |