玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料；具體涉及玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維多級(jí)孔碳(3D-HPCS)作為一類新穎的電極碳材料和吸附材料引起了廣泛研宄者重視和關(guān)注。3D-HPCS具有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在上述應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)，包括:(1)相互連通的大孔、介孔和微孔孔結(jié)構(gòu)；⑵高比表面；(3)連續(xù)的電子傳遞路徑；(4)孔徑分布窄。其中，互相連通的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)有益于離子的快速傳遞，高比表面積可提供廣闊的活性界面，具有優(yōu)越的電化學(xué)性能和吸附性能。
[0003]目前，三維多級(jí)孔碳的制備方法主要采用硬模板法和軟模板法，對(duì)于硬模版法存在模板制備和除去過(guò)程復(fù)雜繁瑣、耗時(shí)、二次污染環(huán)境等缺點(diǎn)；而對(duì)于軟模板法，存在模板劑價(jià)格昂貴、碳源要求苛刻和合成時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。該兩種方法的上述缺陷，導(dǎo)致所制備的多級(jí)孔碳材料的性價(jià)比非常低，在一定程度上阻礙了工業(yè)化的應(yīng)用。因此，探索一種簡(jiǎn)單的、環(huán)保的無(wú)模板法制備多級(jí)孔碳的方法，特別是采用可持續(xù)的生物質(zhì)作為低價(jià)碳源，具有重要現(xiàn)實(shí)意義，更是一個(gè)挑戰(zhàn)性的工作。
[0004]玉米皮作為一種產(chǎn)量豐富的玉米種植副產(chǎn)物，每年在中國(guó)產(chǎn)生1450X 104噸的玉米皮，可作為廉價(jià)的生物質(zhì)碳源制備先進(jìn)的多級(jí)孔碳材料。若成功探索出玉米皮作為碳源制備先進(jìn)的三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料，將推動(dòng)三維多級(jí)孔碳材料的商業(yè)化應(yīng)用，給農(nóng)業(yè)帶來(lái)可觀的價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
[0005]目前，大部分玉米皮都作為農(nóng)業(yè)廢棄物丟掉或燒掉，不僅浪費(fèi)資源而且污染環(huán)境。所以，亟需探索玉米皮的高效利用的方法和工藝，充分利用該可再生生物質(zhì)資源。到目前為止，采用簡(jiǎn)單的、易于工業(yè)化應(yīng)用的方法由玉米皮制備三維多級(jí)孔碳無(wú)人報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供了一種利用玉米皮制備的三維多級(jí)孔碳材料及其制備方法。本發(fā)明采用價(jià)格低廉、產(chǎn)量豐富、可再生生物質(zhì)玉米皮作為碳源，通過(guò)簡(jiǎn)單的、易于工業(yè)化的無(wú)模板法有效制備三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)新型碳材料，解決了模板法過(guò)程繁瑣、耗時(shí)、成本高、難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的難題。
[0007]本發(fā)明中玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料是將玉米皮依次經(jīng)剪碎、水洗處理后烘干，然后加入KOH溶液中，再水浴條件下回流，冷卻后過(guò)篩，然后將固體在高純氮?dú)鈿夥障卤簾缓笠来谓?jīng)過(guò)鹽酸溶液清洗、離心、水洗和烘干處理而成的。
[0008]本發(fā)明中玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的:
[0009]步驟一、將玉米皮剪碎，水洗后在100 °C條件下烘干；
[0010]步驟二、按玉米皮與KOH溶液的質(zhì)量比為1: (10?20)配比將經(jīng)步驟一處理的玉米皮加入質(zhì)量濃度為2%?10%的KOH溶液中，然后在60°C?120°C水浴中回流2h?6h(得到褐色膠體狀液體)，冷卻后用200目不銹鋼篩子過(guò)濾，留下固體；
[0011]步驟三、將步驟二獲得的固體烘干后置于石英管式爐中，在高純氮?dú)?體積分?jǐn)?shù)為純度為99.999% )氣氛、溫度為600?1000°C條件下焙燒I?2h (灰色固體)；
[0012]步驟四然后用鹽酸溶液清洗(目的是去除鉀鹽)，離心，水洗數(shù)次后烘干；即得到玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料。
[0013]本發(fā)明在多級(jí)孔玉米皮基碳材料的合成過(guò)程中，KOH起到多重作用:(I)KOH作為預(yù)處理劑，將玉米皮中的纖維素與半纖維素/木質(zhì)素有效分離出來(lái)；(2)纖維素中殘余的KOH微晶起到制造大孔的作用；(3)K0H作為活化劑造大量微孔，提高碳材料的比表面積。
[0014]本發(fā)明玉米皮基三維多級(jí)孔碳材料具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，其比表面積高達(dá)927m2 ^1，相互連通大孔、介孔和微孔孔結(jié)構(gòu)，而且孔徑分布集中，含有富集氧功能團(tuán)，含量為 12wt%? 17wt%。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的SEM照片；圖2為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的高倍率SEM照片；圖3為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的低倍率TEM照片；圖4為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的高倍率TEM照片；圖5為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的氮?dú)馕矫摳角€；圖6為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的廣角XRD譜圖；圖7為【具體實(shí)施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的XPS總譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式中玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的:
[0017]步驟一、將玉米皮剪成小碎片，水洗后在100°C條件下烘干；
[0018]步驟二、將5g經(jīng)步驟一處理的玉米皮加入10mL質(zhì)量濃度為5%的KOH溶液中，然后在80°C水浴中回流4h (得到褐色膠體狀液體)，冷卻后用200目不銹鋼篩子過(guò)濾，留下固體；
[0019]步驟三、將步驟二獲得的固體在100°C條件下烘干后置于石英管式爐中，在高純氮?dú)?體積分?jǐn)?shù)為純度為99.999% )氣氛、溫度為800°C條件下焙燒2h (灰色固體)；
[0020]步驟四、然后用濃度為2mol/L的鹽酸溶液清洗(目的是去除鉀鹽)，離心，水洗三次后在120°C條件下烘干12h ;即得到玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料。
[0021]本實(shí)施方式得到玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料比表面積為928m2.Ρ，富集氧功能團(tuán)含量為14.6wt%。
[0022]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式中玉米皮基三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的:
[0023]步驟一、將玉米皮剪成小碎片，水洗后在100°C條件下烘干；
[0024]步驟二、將5g經(jīng)步驟一處理的玉米皮加入10mL質(zhì)量濃度為7%的KOH溶液中，然后在80°C水浴中回流4h (得到褐色膠體狀液體)，冷卻后用200目不銹鋼篩子過(guò)濾，留下固體；
[0025]步驟三、將步驟二獲得的固體在100°C條