CN112552941A - 一种低电阻生物质碳材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低电阻生物质碳材料及其制备方法，具体通过将生物质材料放入含酸水溶液中浸泡后进行脱水处理，研磨成粉末，并在惰性气氛下进行炭化，得到低电阻生物质碳材料。该过程简单可控，对于设备要求低，操作成本低，易通过管式炉或流化床反应器等实现工程放大和规模化处理，有助于推动纳米碳材料的性能优化及其在电化学储能和电学器件等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及碳材料领域，具体涉及一种低电阻生物质碳材料及其制备方法。
背景技术
随着社会的进一步发展和人口不断增长，能源与环境问题日益突出。太阳能、风能等新能源的开发与利用为应对化石资源短缺、能源危机提供了出路，但是新能源的高效存储与便携利用一直是其技术应用于商业推广中的核心所在。以纳米碳材料为电极或电极添加剂的二次电池是一种理想的高效储能器件。纳米碳材料具有巨大的比表面积、丰富可调的孔结构、良好的导电性，能够满足高性能电池对于电极材料的要求。然而不同材料、不同方法制备的纳米碳材料即使结构类似，其导电性也会有较大波动。这主要是因为在纳米碳材料的表面会由于不同的材料来源和制备途径引入一定量的悬挂键、含氧官能团和残留的吸附杂质等，存在结构缺陷，改变纳米碳材料表面的电子云分布，影响sp2碳p轨道上的电子形成大π键，从而限制了电子在纳米碳材料中的自由迁移，降低材料的导电性。目前导电性好的碳材料主要有石墨烯、碳纳米管、碳纤维等，但是这些材料制备成本较高，不利于大规模推广应用。其他碳材料的导电性大多较差，不能满足电极材料的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低电阻生物质碳材料的制备方法，针对大多生物质碳材料导电性差的问题，用价格低廉的材料制备一种低电阻的生物质碳。
为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供一种低电阻生物质碳材料的制备方法，包括如下步骤：
将生物质材料放入含酸水溶液中浸泡后进行脱水处理，研磨成粉末，并在惰性气氛下进行炭化，得到低电阻生物质碳材料。
优选的，所述生物质材料为果木。
优选的，所述果木包括梨木和枣木中的一种。
优选的，所述含酸水溶液中酸的质量分数为5-20％，所述酸为醋酸、草酸和盐酸中的一种。
优选的，所述浸泡时间为24h。
优选的，所述脱水温度为150℃，脱水时间为2-6h。
优选的，所述粉末粒径小于0.2mm。
优选的，所述惰性气氛下的气体为氮气、氩气和氦气中的一种。
优选的，所述炭化温度为500-1500℃，炭化时间为4-10h。
本发明还提供了一种低电阻生物质碳材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、室温下影响炭材料电阻率的主要因素是晶界散射、载流子浓度和载流子迁移率，这些主要由碳的界面、孔隙等微观结构决定。现有技术中由于生物质原料中无机盐杂质含量高，碳化过程中碳骨架多以无序sp3杂化方式存在，因此电阻率高。而本申请通过将生物质材料进行醋酸浸泡处理，使生物质材料中的钙硅等无机元素从原料中游离，并进一步进行脱水处理，使钙硅等离子脱离生物质母体，再进行炭化处理，使生物质在干馏过程中随着碳元素的重排和组合，构成以sp2杂化为主的结构主体，因此本发明制备的生物质碳材料电阻率低。
2、本发明能够在不引入新的化学污染条件下，通过简便的方法制备一种低电阻生物质碳材料。该过程简单可控，对于设备要求低，操作成本低，易通过管式炉或流化床反应器等实现工程放大和规模化处理，有助于推动纳米碳材料的性能优化及其在电化学储能和电学器件等领域的应用。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的低电阻生物质碳材料。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
取100g梨木浸泡在含有醋酸水溶液中(水溶液中醋酸质量分数为5％)，24h后取出置于真空反应器中，在150℃条件下脱水1h，再将脱水后的生物质材料放入炭化器中炭化，通入氮气，在绝氧500℃条件下炭化4h，冷却至室温后，研磨成粒径为0.18mm的粉末，得到低电阻生物质碳材料，如图1所示。
从图1中可见，所制备的低电阻生物质碳材料的孔隙较少，碳之间的界面结合较强，有助于载流子在导电网络中的传递，因此电阻较低。并且通过测试使用发现，在外加电场作用下生物质碳材料中的电子沿着连续长纤维方向定向运动，也在纤维、界面、之间的复杂网络中定向运动。碳基体的取向性增强，从无序向有序转变，且石墨微晶逐渐变大，致使载流子浓度提高，晶界的散射减弱，材料的电阻率降低。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.5Ω·cm。
实施例2
同实施例1，区别在于，水溶液中醋酸的质量分数为15％。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.4Ω·cm。
实施例3
同实施例1，区别在于，生物质材料粒径为0.1mm。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.45Ω·cm。
实施例4
同实施例1，区别在于，生物质材料粒径为0.2mm。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.53Ω·cm。
实施例5
同实施例1，区别在于，通入氩气。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.5Ω·cm。
实施例6
同实施例1，区别在于，将梨木替换成枣木。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.51Ω·cm。
实施例7
同实施例1，区别在于，炭化温度为700℃，炭化时间为5h。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.41Ω·cm。
实施例7
同实施例1，区别在于，炭化温度为1200℃，炭化时间为7h。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.38Ω·cm。
实施例8
同实施例1，区别在于，炭化温度为1500℃，炭化时间为10h。
利用导电胶将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在棉布上，测定其电阻率为0.27Ω·cm。
实施例9
同实施例1，区别在于，将得到的低电阻生物质碳材料涂敷在麻布上，测定其电阻率为0.5Ω·cm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将生物质材料放入含酸水溶液中浸泡后进行脱水处理，研磨成粉末，并在绝氧环境中进行炭化，得到低电阻生物质碳材料。
2.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述生物质材料为果木。
3.根据权利要求2所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述果木包括梨木和枣木中的一种。
4.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述含酸水溶液中酸的质量分数为5-20％，所述酸为醋酸、草酸和盐酸中的一种。
5.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述浸泡时间为12-24h。
6.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述脱水温度为150℃，脱水时间为2-6h。
7.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述粉末粒径小于0.2mm。
8.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛下的气体为氮气、氩气和氦气中的一种。
9.根据权利要求1所述的低电阻生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述炭化温度为500-1500℃，炭化时间为4-10h。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的低电阻生物质碳材料制备方法制备的低电阻生物质碳材料。
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