生物質(zhì)柚子皮衍生表面官能團(tuán)層狀碳材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電容器的電極材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及生物質(zhì)柚子皮衍生表面官能團(tuán)層狀碳材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器具有充放電時(shí)間短(幾十秒)、使用壽命長(zhǎng)(>105次)和功率密度高(>1kff kg—工)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和混合動(dòng)力車(chē)等領(lǐng)域，隨著清潔能源的迅猛發(fā)展和汽車(chē)性能的不斷提高，對(duì)于超級(jí)電容器電極材料的性能和成本要求越來(lái)越高。目前商用的超級(jí)電容器電極材料大多是氧化錳體系，雖然氧化錳電極的理論容量高，但是它的循環(huán)穩(wěn)定性差，經(jīng)過(guò)幾千次的充放電，它的容量衰減嚴(yán)重，使用壽命較短。而碳基電極材料的使用壽命很長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)次的充放電循環(huán)使用，容量依舊保持在90%以上;并且碳材料的導(dǎo)電性好，作為電極材料它具有良好的倍率性能;碳材料化學(xué)穩(wěn)定性好，能都耐酸耐堿，并且無(wú)毒，因此具有巨大的應(yīng)用前景。超級(jí)電容器按原理分為雙電層電容器和贗電容電容器，雙電層電容器的基本原理是表面吸附理論。傳統(tǒng)活性碳材料的電容基本在100_200F/g屬于雙電層電容器，相對(duì)于氧化錳贗電容電容器容量較低(?300F/g)，因此研發(fā)具有贗電容性能的雙電層電容器具有重大實(shí)用價(jià)值，它可以極大的提高電容器的容量。
[0003]本項(xiàng)目采用生物質(zhì)柚子皮作為碳源，通過(guò)高溫碳化和氫氧化鉀活化的方式，制備出了表面具有大量官能團(tuán)的層狀碳材料，這些表面官能團(tuán)具有贗電容性能，在水相氫氧化鉀作為電解質(zhì)體系下，層狀碳材料比容量可以達(dá)到600F/g(在0.5A/g的電流密度下)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商用的氧化錳和其它活性碳材料的比容量。
[0004]柚子皮來(lái)源于產(chǎn)量豐富的柚子，它常被用作廢料而扔棄。本項(xiàng)目為柚子皮找到新的用途，柚子皮價(jià)格低廉，產(chǎn)量豐富，并且作為超級(jí)電容器電極性能優(yōu)異。因此利用柚子皮作為碳源制備超級(jí)電容器電極活性碳材料具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供生物質(zhì)柚子皮衍生表面官能團(tuán)層狀碳材料的制備方法，采用高溫碳化處理柚子皮，去除氫和氧，再利用氫氧化鉀浸泡和高溫煅燒，制備表面具有豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料，工藝操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性高、成本低廉;利用本方法制備的層狀碳材料，能夠作為超級(jí)電容器的電極材料，具有電極容量高的特點(diǎn)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0007]生物質(zhì)柚子皮衍生表面官能團(tuán)層狀碳材料的制備方法，其步驟為:
[0008]S1、取0.1-500.0g的柚子皮裝入管式爐中，在反應(yīng)溫度為600-1000°C的環(huán)境下，進(jìn)行高溫碳化處理2-10h，過(guò)濾反應(yīng)產(chǎn)物，分別用水和乙醇清洗過(guò)濾后的固體，然后在烘箱內(nèi)進(jìn)行低溫干燥處理，獲得碳化產(chǎn)物；
[0009]S2、取0.1-300.(^的上述碳化產(chǎn)物加入到燒杯中，加入氫氧化鉀，倒入20-50001111水，進(jìn)行攪拌獲得混合液，攪拌均勻后靜置6-48h;
[0010]S3、將上述混合液通過(guò)濾紙過(guò)濾，取過(guò)濾后的固體產(chǎn)物進(jìn)行低溫干燥處理，獲得干燥產(chǎn)物；
[0011]S4、將上述干燥產(chǎn)物于600-1000°C的惰性氣氛下煅燒2-10h，獲得煅燒產(chǎn)物；
[0012]S5、將上述煅燒產(chǎn)物分別用水和乙醇洗至中性，然后在烘箱內(nèi)進(jìn)行低溫干燥處理，獲得表面豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料。
[0013]所述柚子皮采用文旦柚、坪山柚、沙田柚、暹羅柚、強(qiáng)德勒柚、官溪蜜柚、龍都早香柚和北碚蜜柚中任意一種的柚子皮。
[0014]所述低溫干燥處理為溫度在50_120°C條件下，干燥3-48小時(shí)。
[0015]所述惰性氣氛為ArSN2氣氛。
[0016]S2中所述碳化產(chǎn)物和氫氧化鉀的質(zhì)量比為30:5。
[0017]本發(fā)明的工作原理為:
[0018]本發(fā)明采用高溫碳化的方式，脫除柚子皮纖維素，木質(zhì)素和半木質(zhì)素中的氫和氧，得到層狀碳材料，隨后浸泡滲入氫氧化鉀，用氫氧化鉀化學(xué)活化的方式得到表面具有豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料。
[0019]在氫氧化鉀化學(xué)活化階段，層狀碳與氫氧化鉀在高溫下反生化學(xué)反應(yīng):
[0020]6K0H+2C^2K+3H2+2K2C03
[0021]公式I
[0022]形成大量的微孔結(jié)構(gòu)，并且在層狀碳表面修飾上大量的羥基，羧基和羰基。
[0023]這些微孔有利于電解液中的離子形成雙電層，微孔貢獻(xiàn)的表面積高達(dá)ISOOm2g-1,從而極大提高了雙電層比容量;在層狀碳材料的表面，大量的官能團(tuán)被修飾上去，在電化學(xué)過(guò)程中，這些官能團(tuán)起到贗電容的作用，從而進(jìn)一步提高了層狀碳材料的比容量。
[0024]本發(fā)明的有益效果為:
[0025]本發(fā)明的制備方法具有操作簡(jiǎn)便易行，可重復(fù)性強(qiáng)，成本低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染的特點(diǎn)。利用本方法制備的層狀碳材料具有豐富的表面官能團(tuán)，作為超級(jí)電容器電極材料電極容量高達(dá)600F/g(在0.5A/g的電流密度下)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1到4中制備的具有豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料的結(jié)構(gòu)圖。其中，圖1(a)為X射線(xiàn)衍射圖，圖1(b)為碳材料的紅外光譜(IR)圖。
[0027]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1到4中制備的具有豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料的電鏡圖。
[0028]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1到4中制備的具有豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料的電化學(xué)性能圖。其中，圖3(a)為循環(huán)伏安圖，圖3(b)為恒電流充放電圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]參見(jiàn)附圖，本發(fā)明為生物質(zhì)柚子皮衍生表面官能團(tuán)層狀碳材料的制備方法，其步驟為:
[0031 ] S1、取0.1-500.0g的柚子皮裝入管式爐中，在反應(yīng)溫度為600-1000°C的環(huán)境下，進(jìn)行高溫碳化處理2-10h，過(guò)濾反應(yīng)產(chǎn)物，分別用水和乙醇清洗過(guò)濾后的固體，然后在烘箱內(nèi)進(jìn)行低溫干燥處理，獲得碳化產(chǎn)物；
[0032]S2、取0.1-300.(^的上述碳化產(chǎn)物加入到燒杯中，加入氫氧化鉀，倒入20-50001111水，進(jìn)行攪拌獲得混合液，攪拌均勻后靜置6-48h;
[0033]S3、將上述混合液通過(guò)濾紙過(guò)濾，取過(guò)濾后的固體產(chǎn)物進(jìn)行低溫干燥處理，獲得干燥產(chǎn)物；
[0034]S4、將上述干燥產(chǎn)物于600-1000°C的惰性氣氛下煅燒2-10h，獲得煅燒產(chǎn)物；
[0035]S5、將上述煅燒產(chǎn)物分別用水和乙醇洗至中性，然后在烘箱內(nèi)進(jìn)行低溫干燥處理，獲得表面豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料。
[0036]所述柚子皮采用文旦柚、坪山柚、沙田柚、暹羅柚、強(qiáng)德勒柚、官溪蜜柚、龍都早香柚和北碚蜜柚中任意一種的柚子皮。
[0037]所述低溫干燥處理為溫度在50_120°C條件下，干燥3-48小時(shí)。
[0038]所述惰性氣氛為ArSN2氣氛。
[0039]S2中所述碳化產(chǎn)物和氫氧化鉀的質(zhì)量比為30:5。
[0040]實(shí)施例1采用本方法制備表面具有豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀碳材料[0041 ] 包括以下步驟:
[0042]S1、稱(chēng)取1.0g是文旦柚的柚子皮加入管式爐中，以5°C/min的升溫速度從室溫升溫至Ij800°c，進(jìn)行高溫碳化處理2h。過(guò)濾反應(yīng)產(chǎn)物，分別用水和乙醇清洗過(guò)濾后的固體各3次，然后在80°C環(huán)境的烘箱內(nèi)干燥3小時(shí)，至烘干，獲得碳化產(chǎn)物，進(jìn)行備用。
[0043](2)氫氧化鉀活化碳材料。
[0044]S2、稱(chēng)取0.2g上述碳化產(chǎn)物和5.0g氫氧化鉀加入到燒杯中，倒入150ml水，攪拌2小時(shí)，隨后靜置24小時(shí)，獲得混合液。
[0045]S3、將上述混合液通過(guò)濾紙過(guò)濾，取過(guò)濾后的固體產(chǎn)物在110 °C環(huán)境的烘箱內(nèi)烘干12小時(shí)，獲得干燥產(chǎn)物。
[0046]S4、將上述干燥產(chǎn)物于800 0C的氬(Ar)氣氛下煅燒2小時(shí)，升溫速率為5 °C/min，獲得煅燒產(chǎn)物。
[0047]S5、將上述煅燒產(chǎn)物分別用水和乙醇洗至中性，然后在80°C環(huán)境的烘箱內(nèi)干燥12h，即獲得表面豐富官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的層狀