阅读说明：本技术 一种利用木质素制备碳电极的方法 (Method for preparing carbon electrode by using lignin ) 是由 闵斗勇 迟明超 罗斌 张清桐 李明富 王双飞 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用木质素制备碳电极的方法。该方法采用木质素为原料,将木质素与乙炔黑混合,经过模具压制后在惰性气体氛围下高温加热脱除含氧基团,碳化后的木质素具有固定形状和较低电阻率。本发明方法,利用生物炼制或制浆造纸废弃物木质素为原料制备出高强度、低电阻的碳电极材料,具有原料来源丰富、价格低廉、应用范围广等优势。碳电极材料制备过程中未添加任何粘合剂,利用碳化过程中碳原子之间的化学键连接成型,具有绿色环保的优势和广泛应用的潜力。(The invention discloses a method for preparing a carbon electrode by using lignin. The method adopts lignin as a raw material, the lignin and acetylene black are mixed, oxygen-containing groups are removed by high-temperature heating in an inert gas atmosphere after mould pressing, and the carbonized lignin has a fixed shape and lower resistivity. The method of the invention prepares the high-strength and low-resistance carbon electrode material by using the lignin which is the waste of biological refining or pulping and papermaking as the raw material, and has the advantages of rich raw material source, low price, wide application range and the like. The carbon electrode material is not added with any adhesive in the preparation process, is formed by utilizing chemical bond connection among carbon atoms in the carbonization process, and has the advantages of environmental protection and wide application potential.)

一种利用木质素制备碳电极的方法

技术领域

本发明属于电极材料绿色制备技术领域。本发明涉及一种利用木质素制备碳电极的方法。

背景技术

木质素基碳电极作为一种非金属导电材料，具有优异的力学性能，极低的电阻，较高比表面积等，同时还具有良好的生物相容性，因而被广泛地应用于制备锂离子电极材料，电磁防护和重金属吸附等领域。

木质素基碳电极制备常用的方法是将木质素在高温惰性气体条件下进行碳化，将碳化后的木质素与混合聚四氟乙烯粘黏剂、乙炔黑导电剂混合成型。但是由于聚四氟乙烯的添加会导致导电材料电阻升高,在实际的使用过程中会导致能耗增加；在制备过程中将粘合剂和导电剂混合时，若导电剂含量较少碳电极电阻会升高，若粘合剂含量较少时碳电极不易成型，这些问题都限制了木质素基碳电极的发展。

木质素基碳电极具有原料来源广、导电性好、质量轻和耐腐蚀等优异的性能，目前已经被应用到甲苯等有机物的氧化降解处理、电池电极材料的制备和重金属离子吸附等方面。优异的导电性和耐腐蚀性等特点使碳电极作为电极氧化降解毒性有机物时有较高的降解效率和较长的使用寿命；导电碳作为电池电极时其多孔特性为离子交换提供了通道，而且较高的比表面积也使碳电极成为制备电容器的首选材料。以上提到的所有材料在制备过程中都会遇到成型困难、不易制备等问题，这些问题使碳电极的应用范围受到了极大的限制。

公开号为CN107623105A的中国专利介绍了一种利用生物质制备锂离子电池负极和导电剂材料的方法。该方法将芋头颈、稻壳、花生壳等作为生物质原料，经过900℃高温进行碳化，碳化后再利用酸、碱、盐等不同的方法进行活化，将活化后的生物质基活性物质与导电剂、粘合剂等物质利用球磨的方式混合，得到锂离子电池的负极浆料；将得到的浆料均匀地涂敷在铜箔上，并将其置于真空环境下烘烤10～36h，最后经过辊压、分切得到锂离子电池负极材料。利用该种方法制备的锂离子电极负极具有良好的导电三维通道、较高的放电比容量、和极高的循环使用寿命等优点。但是利用这种方法制备的锂离子电池电极时，粘合剂的存在导致电极材料的内阻增加，而且粘合剂在电极材料内部对离子导电通道也会有一定的阻碍作用。

公开号为CN103265025A的中国专利介绍了一种利用生物质制备电磁屏蔽材料的方法。该方法利用稻草、麦秆和玉米杆等农业废弃物作为生物质材料，将其放入500℃的条件下进行低温碳化，碳化之后与镍铁和钙基化合物按照一定比例进行混合得到混合材料。将得到的混合材料置于1000℃条件下碳化。经过酸洗后得到生物质导电炭。将所得到的导电碳与树脂按照比例混合就均匀后倒入模具高压下成型，最后得到生物质电磁屏蔽材料。利用这种方法制备的电磁屏蔽材料与传统金属电磁屏蔽材料相比具有成本低、耐腐蚀、环境友好等特点。但是在使用过程中树脂的引入会导致电阻增加，使电磁屏蔽能力减弱。

公开号为CN101671069A的中国专利介绍了一种利用生物质导电碳处理低浓度金属废水的方法。利用生物质导电碳组装的双流化床反应器主要包括废水净化反应床和金属回收反应床。在该发明中采用生物质导电碳代替传统金属颗粒和活性炭处理污水，有利于提高电流的密度、增加反应面积，提高对金属的吸附效率。但是这种方法制备的导电碳在后续处理过程会溶解到废液中，增加了废水的处理难度。

木质素是由苯基丙烷结构单元组成的具有三维立体网状结构的天然高分子聚合物，是仅次于纤维素的第二大可再生天然聚合物。木质素是制浆造纸工业的废弃物，全球范围内每年木质素产量约5000万吨，目前木质素的主要利用途径就是燃烧产生热能用于碱回收工段，只有不到2％的木质素用于生产胶粘剂、水泥减水剂、分散剂和表面活性剂等低价值的商业产品。木质素结构中包含多种官能团，包括苯环、甲氧基、酚羟基以及侧链的羰基、醇羟基和碳碳双键等。相比于其他生物质材料，丰富的碳元素含量使木质素在碳化时形成更多的碳碳双键这些特性使木质素在碳化后具有更高的强度和更好的导电性，碳化后的木质素碳碳键连接十分稳定，具有良好的耐腐蚀性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种利用木质素制备碳电极的方法，该方法为了解决目前制备木质素基碳电极的过程中添加粘合剂之后电阻升高以及产品成本增加的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

一种利用木质素制备碳电极的方法，包括以下步骤：

1、木质素预处理：将木质素原料在60℃条件下烘干24h，并称取80g木素进行初步研磨处理后过200目网筛，细化原料中的颗粒；

2、木质素/乙炔黑混合材料的制备：将经过初步处理的木质素原料与乙炔黑按照固定的比例进行混合，之后称取40g混合物放入100ml球磨罐中，将转速调至300rpm球磨48小时，得到木质素/乙炔黑混合材料。

3、压力成型：将木质素/乙炔黑混合材料放入定制的金属镍模具中施加压力保持10min，使其固定成型。

4、高温碳化：将成型后的木质素和乙炔黑的混合材料放入管式炉中在Ar氛围下进行碳化，通30min Ar排出管内空气后再加热，以3℃/min的升温速率升温到150℃，并在150℃温度下保温60min，再以3℃/min的升温速率升温到800～1000℃，并在800～1000℃下保温3h，得到碳电极材料。

步骤1中的木质素是酶解木质素、蔗渣黑液木质素等木质素中的一种；

步骤2中木质素与乙炔黑的球磨混合比例为5:1～20:1；步骤4中最高碳化温度为800～1000℃。

本发明方法与现有技术相比，具有以下优势：

1.木质素具有来源广，可再生，对环境和人体健康无危害等特点，以木质素为原料可实现资源的高效利用；

2.制备碳电极过程中所使用的木质素为未经纯化工业木质素，直接使用工业木质素作为原料有利于降低导电炭的制备成本；

3.利用木质素制备碳电极工艺过程简单、技术安全可靠、经济环保、易于产业化。

4.制备的木质素碳电极不使用任何粘合剂，具有电阻低、稳定性好等优点。

附图说明

图1是本发明制备的碳电极的实物图。

图中，左：实施例2的碳电极的实物图；右：实施例3的碳电极的实物图。

图2是本发明制备的碳电极的循环伏安曲线图像。

图中，实施例1的碳电极的循环伏安曲线图像。工作电极：木质素碳电极；对电极：铂电极；参比电极：饱和甘汞电极；电解液：饱和氯化钠溶液。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明内容进行阐述说明。下面所介绍的实施例为本发明内容的优选方案，仅用于说明和解释本发明，不适用于限定本发明。

实施例1

一种利用木质素制备碳电极的方法包括以下步骤：

1.木质素预处理：将酶解木质素原料在60℃条件下烘干24h，并称取50g木素进行初步研磨处理后过80目网筛，细化原料中的颗粒；

2.木质素/乙炔黑混合材料的制备：将经过初步处理的木质素原料与乙炔黑按照固定的比例进行混合，之后称取40g混合物放入100ml球磨罐中，将转速调至300rpm球磨48小时，得到木质素/乙炔黑混合材料。

3.压力成型：将木质素/乙炔黑混合材料放入定制的金属镍模具中施加5MPa压力保持10min，使其固定成型。

4.高温碳化：将成型后的木质素和乙炔黑的混合材料放入管式炉中在Ar氛围下进行碳化，通30min Ar排出管内空气后再加热，以3℃/min的升温速率升温到150℃，并在150℃温度下保温60min，再以3℃/min的升温速率升温到1000℃，并在1000℃下保温3h，获得低电阻的碳电极。

步骤2中木质素与乙炔黑的比例为5:1，木质素与乙炔黑的比例为5:1时的电阻率为0.10132Ω/cm。

实施例2

一种利用木质素制备碳电极的方法包括以下步骤：

1、木质素预处理：将酶解木质素原料在60℃条件下烘干24h，并称取50g木素进行初步研磨处理后过80目网筛，细化原料中的颗粒；

2、木质素/乙炔黑混合材料的制备：将经过初步处理的木质素原料与乙炔黑按照固定的比例进行混合，之后称取40g混合物放入100ml球磨罐中，将转速调至300rpm球磨48小时，得到木质素/乙炔黑混合材料。

3、压力成型：将木质素/乙炔黑混合材料放入定制的金属镍模具中施加5MPa压力保持10min，使其固定成型。

4、高温碳化：将成型后的木质素和乙炔黑的混合材料放入管式炉中在Ar氛围下进行碳化，通30min Ar排出管内空气后再加热，以3℃/min的升温速率升温到150℃，并在150℃温度下保温60min，再以3℃/min的升温速率升温到1000℃，并在1000℃下保温3h，获得低电阻的碳电极。

步骤2中木质素与乙炔黑的比例为20:1，木质素与乙炔黑的比例为20:1时的电阻率为0.11732Ω/cm。

实施例3

一种利用木质素制备碳电极的方法包括以下步骤：

1、木质素预处理：制浆黑液木质素原料在60℃条件下烘干24h，并称取50g木素进行初步研磨处理后过80目网筛，细化原料中的颗粒；

2、木质素/乙炔黑混合材料的制备：将经过初步处理的木质素原料与乙炔黑按照9:1比例进行混合，之后称取40g混合物放入100ml球磨罐中，将转速调至300rpm球磨48小时，得到蔗渣木质素/乙炔黑混合材料。

3、压力成型：将蔗渣木质素/乙炔黑混合材料放入定制的金属镍模具中施加5MPa压力保持10min，使其固定成型。

4、高温碳化：将成型后的木质素和乙炔黑的混合材料放入管式炉中在Ar氛围下进行碳化，通30min Ar排出管内空气后再加热，以3℃/min的升温速率升温到200℃，并在200℃温度下保温60min，再以3℃/min的升温速率升温到1000℃，并在1000℃下保温3h，获得低电阻的碳电极。

步骤1中当木质素为蔗渣黑液木质素时,木质素与乙炔黑的比例为9:1条件下，也可制备出电阻率低的碳电极，其电阻率为0.10581Ω/cm。

实施例4

一种利用木质素制备碳电极的方法包括以下步骤：

1、木质素预处理：酶解木质素原料在60℃条件下烘干24h，并称取50g木素进行初步研磨处理后过80目网筛，细化原料中的颗粒；

2、木质素/乙炔黑混合材料的制备：将经过初步处理的木质素原料与乙炔黑按照9:1比例进行混合，之后称取40g混合物放入100ml球磨罐中，将转速调至300rpm球磨48小时，得到木质素/乙炔黑混合材料。

3、压力成型：将木质素/乙炔黑混合材料放入定制的金属镍模具中施加5MPa压力保持10min，使其固定成型。

4、高温碳化：将成型后的木质素和乙炔黑的混合材料放入管式炉中在Ar氛围下进行碳化，通30min Ar排出管内空气后再加热，以3℃/min的升温速率升温到200℃，并在200℃温度下保温60min，再以3℃/min的升温速率升温到800℃，并在800℃下保温3h，获得低电阻的碳电极。

步骤4中最高碳化温度为800℃时，木质素与乙炔黑的比例为9:1条件下，也可制备出电阻率低的碳电极电阻率为0.29791Ω/cm。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。