CN112062123A - 一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法及其应用。该方法为：收集废弃水葫芦生物质进行洗涤、干燥、研磨成粉，并进行钢筛筛分；将生物质碎屑与碱性溶液进行充分的混合，干燥；将得到的产物进行粉碎，然后在管式炉中进行热解碳化，得到了多孔碳材料。该碳材料具有蜂窝状的多孔结构、高的比表面、丰富的多种杂原子，改多孔碳材料可广泛用于水资源净化、二氧化碳的固化、及锂离子电池的负极等材料领域。该方法环境友好、原料丰富、合成方法简单、容易实现工业化生产，且材料具有蜂窝状多孔结构、固有的多种杂原子、高的比表面积和良好的稳定性。将废弃水葫芦生物质转化为多孔生物炭，无论是对环境安全和能源储存都具有商业价值和现实意义。

Description

一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于环境能源领域，涉及用于锂离子电池负极材料的高比表面积的富含杂原子的多孔碳材料，特别是指一种基于废弃水葫芦生物质基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法及其应用。
背景技术
环境污染和能源短缺问题一直是科学家研究的热点和难点。在每天的生态循环过程中都会产生大量的废弃生物质，如果处置不当的话，将会造成了严重的资源浪费和环境污染。诸如，水葫芦是一种外来植物普遍存在于各种水体中。然而不幸的是，水葫芦高的再生率和不受控制的增长给生态系统造成了不可估量的危害，如，渔业、航业及水体中营养元素的平衡等。目前，水葫芦主要通过物理打捞处理，而打捞后废弃的水葫芦处理往往会造成环境的二次污染，而且也是资源的进一步浪费。因此，基于变废为宝的理念将废弃的水葫芦生物质转变成有用的产品是急需的且具有重要的挑战。
生物质衍生的多孔碳材料，由于其优异的理化性质(诸如，高比表面积、表面易修饰、良好的导电和导热性能、高机械稳定性、耐高温、耐酸碱等特点)而备受国内外研究人员关注，并且已成功地应用于环境修复领域中。近年来，尤其生物碳的多孔性、高稳定性及良好的导电性能等特点，越来越多的研究者开始关注生物碳材料在能源的储存和转化方面的应用。然而，水葫芦作为一种可再生可持续的生物质材料，其衍生的生物碳材料在能源的储存和转化方面的应用却鲜有报道。
可充电锂电池因其能量密度高、循环寿命长、生态友好、安全等优点越来越受到储能设备的重视。商业石墨碳其高的循环稳定性和低工作电压(相对于Li/Li+)而被广泛用作锂离子电池的负极材料。但是，由于商业石墨碳在锂离子电池中的理论比容量(372mAh g-1)较低，倍率性能差，从而极大地限制了锂离子电池在纯电动汽车和混合动力汽车中的应用。众所周知，多孔碳材料在锂离子电池中表现出较高的比容量和良好的速率性能。另外，生物质衍生的多孔碳材料本身含有的杂原子(如：O、N和S等)能增强电子的传输特性及化学反应活性，进而提高材料的电化学性能。因此，利用可再生可持续废弃生物质开发富含杂原子的多孔碳具有重要的实际意义。同时，这也实现了废弃物的高效利用，使其得到环境和能源问题的共同解决。
发明内容
基于变废为宝的理念，本发明的目的在于提供一种应用于锂离子电池负极材料的多孔碳材料的制备方法，上述多孔碳材料其锂离子电池的电化学性能优于商业石墨碳材料，上述多孔碳材料的制备原料丰富且易工业化生产，上述多孔碳材料具有多孔结构、高比表面积、富含杂原子(N、O、S)等优点。本发明是将碳源与激活剂进行充分融合后，再经过高温热解，酸洗除灰分，干燥，获得一种多孔结构富含杂原子的多孔碳材料，其材料可作为能源存储材料。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，包含以下步骤：
A.废弃水葫芦生物质收集与前处理：将漂浮在河道中的废弃水葫芦进行收集，并用自来水洗去生物质表面附着的物质，弃去根系，茎叶自然风干；
B.干生物质粉碎：将步骤A得到的风干生物质用粉碎机进行粉碎，并进行钢筛筛分；
C.浸泡：将步骤B得到的碎屑加入至碱性溶液中，常温下搅拌浸泡一段时间，过滤得到材料滤饼，并在105.0℃的真空干燥箱中进行过夜干燥；
D.碳化：将步骤C得到的材料进行热解碳化，冷却至室温，得到水葫芦基生物碳材料；
E.除灰分：将步骤D得到的碳材料加入至酸性溶液中，在一定温度下回流除去KOH和材料本身含有的灰分物质，冷却至室温，进行过滤得到材料滤饼；
F.洗涤：将步骤E过滤得到的材料滤饼使用离子水进行多次洗涤；
G.干燥：将步骤F过滤得到的材料滤饼进行干燥，即得到蜂窝状含杂原子多孔碳(标记为HBC)。
进一步地，步骤A中，水葫芦是一种各种水体中随处可见的外来植物，其高速的再生和不受控制的增长给生态系统造成了不可估计的危害。利用水葫芦为原料制备多孔碳材料，不仅实现了环境问题的缓解，同时还得到了资源的再生利用。
进一步地，步骤B的具体步骤为：将水葫芦生物质利用粉碎机进行粉碎，并利用100目的钢筛筛分，取得粒径大小相差不大的生物质碎屑。
进一步地，步骤C中，所述的碱性溶液为氢氧化钾溶液，其溶液浓度为3.0～5.0mol/L，浸泡时间为12.0～24.0小时。
进一步地，步骤C中，水葫芦生物质碎屑与碱性溶液的充分融合，使氢氧化钾分子均匀的分散在生物质组织中，其中氢氧化钾溶液的浓度控制在3.0mol/L时，对生物碳结构中的孔隙均匀化较为重要。
进一步地，步骤D中所述的热解碳化是在管式炉中进行的，其热解条件是氮气气氛，碳化温度为500.0～700.0℃，碳化时间为3.0～5.0小时；所述氮气气氛中氮气流速为20.0～100.0ml/mol；碳化过程中的升温速度为10.0～15.0℃/min。
进一步地，步骤E中酸性溶液为硝酸溶液(HNO3)，质量百分比浓度为10.0％～30.0％，回流温度为60.0～80.0℃，回流时间为6.0～12.0小时。
进一步地，步骤F中，洗涤是指将酸洗涤过的碳材料在室温条件下用去离子水进行洗涤处理。
进一步地，步骤G中，所述干燥是指洗涤过的材料滤饼经95.0～105℃下进行真空干燥24.0～48.0小时。
一种蜂窝状含杂原子的多孔碳，所述多孔碳材料中含有的杂元素质量含量分别是N2.94％～3.42％、O13.33％～20.82％和S0.81％～0.83％；所述多孔碳的矩阵中形成了相互穿插的孔道和空穴，而且所述孔道分布均匀，这样的孔隙结构类似于蜂巢结构。
一种蜂窝状含杂原子的多孔碳用作锂离子电池的负极材料，进行电化学性能的测试；所述锂离子电池从上到下先分别由正极壳、垫片、极片、隔膜、金属锂片和负极壳叠加而成；其中隔膜与金属锂片之间滴加有电解液；所述隔膜与金属锂片之间滴加有电解液；所述电解液为LiPF6溶解在体积比为1:1的碳酸乙烯和碳酸二乙酯溶液中；所述隔膜为Celgard2325微孔膜；所述极片为水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳：聚偏氟乙烯：石墨炔按照质量百分比为70％:20％:10％混合而成；所述锂离子电池首次充放电比容量为1131.0/697.0mAhg-1，其倍率性能在电流密度为3000.0mA g-1可达到235.0mAh g-1，循环200次放电容量约为720.0mAh g-1。
本发明的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，以废弃的水葫芦生物质为原料，KOH作为激活剂进行造孔，经粉碎、融合、碳化、除灰分等过程得到蜂窝状的多孔碳材料。与现有技术相比，该方法环境友好、原料丰富、合成方法简单、容易实现工业化生产，且材料具有蜂窝状多孔结构、固有的多种杂原子、高的比表面积和良好的稳定性。将废弃水葫芦生物质转化为多孔生物炭，无论是对环境安全和能源储存都具有商业价值和现实意义。
在本发明中，为了说明水葫芦衍生生物碳的孔隙结构的来源和特殊之处，首先我们对水葫芦生物质的微观形貌进行了扫面电镜表征，如图1和图2所示，我们发现水葫芦生物质的微观结构呈现出均匀的褶皱的孔隙结构，而孔结构表面是光滑。水葫芦生物质碎屑与KOH融合后，再进行高温热解后形成的生物碳。对水葫芦衍生的生物碳的微观形貌进行扫描电镜表征，如图3和图4所示，我们发现生物碳的矩阵中形成了相互穿插的孔道和空穴，而且这些孔道分布的很均匀，这样的孔隙结构类似于蜂巢结构。通过对水葫芦衍生的多孔碳材料的结构和组成表征，该制备方法得到的多孔碳材料具有稳定的无序结构和高含量的杂原子(N、O和S)。我们还利用不同的热解条件制备了水葫芦生物碳材料，并没有得到具有均匀孔隙，且孔道间相互穿插的生物碳结构。另外，竹子衍生的多孔生物碳，其多孔生物碳表面是竹节状的碳纳米管(类似空心竹节的管状结构)，而且这些孔结构之间并不是相互穿插连接起来的。
据文献报道，多孔碳材料应用在能量存储和转换设备中为电荷和离子的转移扩散提供了足够大的反应界面，同时，孔道间的相关穿插为离子的传输途径大大的缩短。另外，多孔碳材料中无序结构和杂原子也能极大的促进电化学性能。
本发明将水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料首次应用在锂离子电池中，多孔碳材料作为负极材料展现出比商业石墨碳优异的电化学性能，首次充放电比容量为1131.0/697.0mAh g-1，其倍率性能在电流密度为3000.0mA g-1可达到235.0mAh g-1，循环200次放电容量约为720.0mAh g-1。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.基于变废为宝的理念，将废弃生物质(水葫芦)转换成了能源材料(多孔碳材料)。
2.本发明的制备方法采用生物质碎屑与碱溶液充分融合，使其在热解碳化过程对生物质进行充分的造孔激活处理，同时也能使孔隙结构均匀化。
3.本发明的制备方法中对初始的碳材料进行回流酸洗，可以充分的去除碳材料中的灰分，使其材料在应用过程中保持高度的稳定。
4.本发明中制备得到的多孔碳材料作为锂离子电池的负极材料，其丰富的孔结构和高的比表面积促进了电解液和锂离子的转移和扩散，同时，材料中固有的杂原子(N、O和S)对材料本身造成的缺陷结构也有利于提升电化学性能。
附图说明
以下对实施例描述中所使用的附图作简单介绍。
图1为本发明实施例一中制备的水葫芦碎屑的扫描电子显微镜照片(放大倍数50μm)；
图2为本发明实施例一中制备的水葫芦碎屑的扫描电子显微镜照片(放大倍数10μm)；
图3为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料的扫描电子显微镜照片(放大倍数50μm)；
图4为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料的扫描电子显微镜照片(放大倍数10μm)；
图5为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料的能谱分析中相应的C、N、O和S元素的分布及含量图；
图6为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料的氮气吸附-脱附曲线及比表面积图；
图7为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料的X射线光电子能谱分析谱图；
图8为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳材料中C、N、O和S元素的X射线光电子精细谱分析；
图9为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳用作锂电池负极材料时，纽扣式2025电池的实验装置图；
图10为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳用作锂电池负极材料时，在50mA g-1的电流密度下的充放电曲线图；
图11为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳用作锂电池负极材料时，倍率性能图；
图12为本发明实施例一中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳用作锂电池负极材料时，在100mA g-1的电流密度下的循环性能图；
图13为本发明实施例二中制备的水葫芦生物碳的扫描电子显微镜照片(放大倍数2μm)；
图14为本发明实施例二中制备的水葫芦生物碳的氮气吸附-脱附曲线图；
图15为本发明实施例二中制备的水葫芦生物碳的比表面积；
图16为本发明实施例二中制备的水葫芦生物碳的用作锂电池负极材料时，在100mA g-1的电流密度下的循环性能图。
图17为本发明实施例三中制备的水葫芦生物碳的扫描电子显微镜照片(放大倍数30μm)；
图18为本发明实施例四中制备的水葫芦生物碳的扫描电子显微镜照片(放大倍数5μm)；
图9中各个部件如下：1.正极壳；2.垫片；3.极片；4.电解液；5.隔膜；6.金属锂片；7负极壳。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图与实施例对本发明的实施方式作进一步地详细阐述。
实施例1
1)将从河道中收集的水葫芦生物质使用自来水进行清洗，滤干水分后，将水葫芦生物质的根部弃去，并将茎叶置于太阳光下自然风干(环境条件：温度约28.0～35.0℃)。使用粉碎机将干燥好的生物质粉碎，并利用100目筛子筛分碎屑。称取10.0g碎屑生物质和3M10mL的KOH激活剂进行充分融合24小时后，将其在95℃下进行真空干燥处理。将混合物放入瓷舟中置于管式炉中，加热到500.0℃下热解碳化3.0小时。将上述热解碳化物进行充分研磨后，称取5.0g上述碳化物加入到100.0mL20％的硝酸溶液中，置于70℃油浴锅中回流12.0小时，冷却至室温，过滤后的滤渣用去离子水进洗涤，并检测洗涤液的酸碱性为中性，将其上述滤渣置于真空干燥箱(95.0℃)中干燥6小时，恢复至室温，即得到水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳。
首先，我们对粉碎了的生物质进行了微观组织结构的扫描电镜测试，发现生物质本身就具有类似于细胞壁型的孔结构形貌，其形貌结构如图1和图2。紧接着，我们又对上述工艺制备得到的水葫芦生物质基碳材料进行了微观组织结构的测定，其形貌结构类似于蜂窝状结构，其形貌结构如图3和图4所示。并且对多孔碳材料进行能谱分析，其主要含有C(74.93％)、N(3.42％)、O(20.82％)和S(0.83％)四种元素，如图5所示。
通过氮气吸附脱附测试仪进行水葫芦基多孔生物碳的比表面积测试。其等温吸附脱附曲线如图6所示，图6的插图为BET比表面积(244.67m2g-1)，等温吸附脱附曲线表示为I型，等温线的闭合迟滞回线归为H2型,表示多孔碳材料中含有典型的微孔结构。
通过X射线光电子能谱进行水葫芦基多孔生物碳中的元素含量和结构成分分析。如图7所以，上述所述的多孔碳材料中主要含的元素为C(82.91％)、N(2.94％)、O(13.33％)和S(0.81％)四种元素。另外，也对C、N、O和S四种元素的精细结构进行了分析，其C元素主要以C(sp2,284.6eV)，C-C(sp3,285.0eV)，C-N\O(285.6eV)，C＝N\O(288.3eV)几种形式存在(图8a)。其中氮元素主要以吡啶氮(398.8eV)，吡咯氮(400.5eV)，石墨氮(401.2eV)和氧化氮(404.5eV)四个种类存在(图8b)。O元素以C-O(531.8eV)和C＝O(533.4eV)两种结构存在(图8c)。S元素以C-S-C(165.65eV)和C-SOx-C(x＝3,4，167.4eV)两种形式存在(图8d)。
2)为了测定水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳作为锂离子电池的负极材料的电化学性能。将获得的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳、石墨炔与粘结剂(聚偏氟乙烯)按照质量比为7：2：1的比例在研钵中进行充分研磨使其混合均匀。随后加入溶剂(氮甲基二吡咯烷酮)调浆成烯稠一致的浆料。接下来，将浆料涂敷在集流体上，置于鼓风干燥箱(80.0℃)中干燥，称重并计算在电极片上负载的多孔碳物质的质量约为2.0mg。将制备好的锂离子电池的工作电极极片置于手套箱(Mikrouna,super 1220)中备用。在手套箱中将制备好的电极极片组装成CR2025型锂离子电池，其中，金属锂片用作对电极和参比电极，Celgard 2325作为电池隔膜，电解液是1M LiPF6溶解在体积比为1:1的碳酸乙烯和碳酸二乙酯溶液中物，其电池装置图如图9所以。
3)通过新威锂离子电池测试系统进行电化学循环性能测试。充放电电压范围0.01～3.0V。水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳展现出比商业石墨碳优异的电化学性能，如图10所示，首次充放电比容量为1131.0/697.0mAh g-1；如图11所示，其倍率性能在电流密度为3000.0mA g-1可达到235.0mAh g-1；如图12所示，循环200次放电容量约为720.0mAh g-1。
该锂离子电池性能展现出，本发明制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳负极材料在锂离子电池中具有良好的实际应用前景。
实施例2
1)将从河道中收集的水葫芦生物质使用自来水进行清洗，滤干水分后，将水葫芦生物质的根部弃去，并将茎叶置于太阳光下自然风干(环境条件：温度约28.0～35.0℃)。使用粉碎机将干燥好的生物质粉碎，并利用100目筛子筛分碎屑。直接将生物质放入瓷舟中置于管式炉中，加热到500.0℃下热解碳化3.0小时。将上述热解碳化物进行充分研磨后，称取5.0g上述碳化物加入到100.0mL20％的硝酸溶液中，置于70℃油浴锅中回流12.0小时，冷却至室温，过滤后的滤渣用去离子水进洗涤，并检测洗涤液的酸碱性为中性，将其上述滤渣置于真空干燥箱(95.0℃)中干燥6小时，恢复至室温，即得到水葫芦衍生的生物碳材料。
对上述制备得到的水葫芦衍生的生物碳材料进行微观形貌的测试，得到如图13所示的扫描电子显微镜照片。
通过氮气吸附脱附测试仪进行水葫芦衍生的生物碳的比表面积测试。其等温吸附脱附曲线如图14所示，图15为BET比表面积(8.286cm2g-1)，说明碳材料未经管KOH激活，其材料的孔径很小。
2)对上述制备得到的水葫芦衍生的生物碳材料进行锂离子电池负极材料的应用研究，得到如图16所示的循环伏安图。该碳材料的结构和锂离子电池性能测试表示，在制备水葫芦基衍生的生物碳材料时，如果不融合KOH激活剂，其碳材料不具有丰富的孔结构，其作为锂离子电池的负极材料，并没有优异的电化学性能，如图15所示，其首次放电比容量约为210.0mAh g-1；循环300次放电容量约为280.0mAh g-1。
实施例3
1)将从河道中收集的水葫芦生物质使用自来水进行清洗，滤干水分后，将水葫芦生物质的根部弃去，并将茎叶置于太阳光下自然风干(环境条件：温度约28.0～35.0℃)。将生物质使用锡箔纸进行包裹后，在放入瓷舟中置于管式炉中，加热到500.0℃下热解碳化3.0小时。将上述热解碳化物进行充分研磨后，利用100目的钢筛进行筛分。称取5.0g上述碳化物加入到100.0mL 20％的硝酸溶液中，置于70℃油浴锅中回流12.0小时，冷却至室温，过滤后的滤渣用去离子水进洗涤，并检测洗涤液的酸碱性为中性，将其上述滤渣置于真空干燥箱(95.0℃)中干燥6小时，恢复至室温，即得到水葫芦衍生的生物碳材料。
对上述制备得到的水葫芦衍生的生物碳材料进行微观形貌的测试，其形貌结构如图17所示，在生物碳矩阵中并未观测到明显的孔道分布。
实施例4
1)将从河道中收集的水葫芦生物质使用自来水进行清洗，滤干水分后，将水葫芦生物质的根部弃去，并将茎叶置于太阳光下自然风干(环境条件：温度约28.0～35.0℃)。使用粉碎机将干燥好的生物质粉碎，并利用100目筛子筛分碎屑。称取10.0g碎屑生物质和5M10mL的KOH溶液进行混合反应12.0小时，将其在105℃下进行真空干燥处理。将混合物放入瓷舟中置于管式炉中，加热到600.0℃下热解碳化5.0小时。将上述热解碳化物进行充分研磨后，称取5.0g上述碳化物加入到100.0mL 30％的硝酸溶液中，置于70℃油浴锅中回流12.0小时，冷却至室温，过滤后的滤渣用去离子水进洗涤，并检测洗涤液的酸碱性为中性，将其上述滤渣置于真空干燥箱(95.0℃)中干燥6小时，恢复至室温，即得到水葫芦衍生的多孔碳材料。
我们对上述工艺制备得到的水葫芦生物质衍生的碳材料进行了微观组织结构的测定，其形貌结构类似于多孔海绵结构，其形貌结构如图18所示。
综上所述，本发明中制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳负极材料具有高的比表面积和丰富的彼此相连的孔道结构，为锂离子和电子的快速传输提供了通道，同时也缩短了离子和电子的扩散路径，从而确保了其优异的倍率性能；蜂窝状的多孔结构能够有效地缓解在插锂和脱锂过程中造成的体积膨胀，因而具有良好的循环稳定性。同时，固有的杂原子(N、O和S)也对电化学性能的提供起到了一定的促进作用。本发明制备的水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳具有良好的应用前景，同时也实现了变废为宝的理念，为解决废弃物的环境问题和开发能源存储材料提供了一定的指导意义。

Claims (10)

1.一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
A.废弃水葫芦生物质收集与前处理：将漂浮在河道中的废弃水葫芦进行收集，并用自来水洗去生物质表面附着的物质，弃去根系，茎叶自然风干；
B.干生物质粉碎：将步骤A得到的风干生物质用粉碎机进行粉碎，并进行钢筛筛分；
C.浸泡：将步骤B得到的碎屑加入至碱性溶液中，常温下搅拌浸泡一段时间，过滤得到材料滤饼，并在105.0℃的真空干燥箱中进行过夜干燥；
D.碳化：将步骤C得到的材料进行热解碳化，冷却至室温，得到水葫芦基生物碳材料；
E.除灰分：将步骤D得到的碳材料加入至酸性溶液中，在一定温度下回流除去KOH和材料本身含有的灰分物质，冷却至室温，进行过滤得到材料滤饼；
F.洗涤：将步骤E过滤得到的材料滤饼使用离子水进行多次洗涤；
G.干燥：将步骤F过滤得到的材料滤饼进行干燥，即得到蜂窝状含杂原子多孔碳(标记为HBC)。
2.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤B的具体步骤为：将水葫芦生物质利用粉碎机进行粉碎，并利用100目的钢筛筛分，取得粒径大小相差不大的生物质碎屑。
3.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述的碱性溶液为氢氧化钾溶液，其溶液浓度为3.0～5.0mol/L，浸泡时间为12.0～24.0小时。
4.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤C中，水葫芦生物质碎屑与碱性溶液的充分融合，使氢氧化钾分子均匀的分散在生物质组织中，其中氢氧化钾溶液的浓度控制在3.0mol/L时，对生物碳结构中的孔隙均匀化较为重要。
5.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤D中所述的热解碳化是在管式炉中进行的，其热解条件是氮气气氛，碳化温度为500.0～700.0℃，碳化时间为3.0～5.0小时；所述氮气气氛中氮气流速为20.0～100.0ml/mol；碳化过程中的升温速度为10.0～15.0℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤E中酸性溶液为硝酸溶液(HNO3)，质量百分比浓度为10.0％～30.0％，回流温度为60.0～80.0℃，回流时间为6.0～12.0小时。
7.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤F中，洗涤是指将酸洗涤过的碳材料在室温条件下用去离子水进行洗涤处理。
8.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤G中，所述干燥是指洗涤过的材料滤饼经95.0～105℃下进行真空干燥24.0～48.0小时。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备得到一种蜂窝状含杂原子的多孔碳，其特征在于，所述多孔碳材料中含有的杂元素质量含量分别是N2.94％～3.42％、O13.33％～20.82％和S0.81％～0.83％；所述多孔碳的矩阵中形成了相互穿插的孔道和空穴，而且所述孔道分布均匀，这样的孔隙结构类似于蜂巢结构。
10.根据权利要求9所述蜂窝状含杂原子的多孔碳用作锂离子电池的负极材料，其特征在于，所述锂离子电池从上到下先分别由正极壳(1)、垫片(2)、极片(3)、隔膜(5)、金属锂片(6)和负极壳(7)叠加而成；其中隔膜(5)与金属锂片(6)之间滴加有电解液(4)；所述隔膜(5)与金属锂片(6)之间滴加有电解液(4)；所述电解液为LiPF6溶解在体积比为1:1的碳酸乙烯和碳酸二乙酯溶液中；所述隔膜为Celgard 2325微孔膜；所述极片为水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳：聚偏氟乙烯：石墨炔按照质量百分比为70％:20％:10％混合而成；所述锂离子电池首次充放电比容量为1131.0/697.0mAh g-1，其倍率性能在电流密度为3000.0mAg-1可达到235.0mAh g-1，循环200次放电容量约为720.0mAh g-1。
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