高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用
阅读说明：本技术 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用 (High-performance cellulose solution gel nano carbon material and preparation and application thereof ) 是由 蔺华林 严春阳 杨洋 李梦琰 李欣 袁铭霞 陈哲 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及制备方法和应用,制备过程包括：通过NaOH溶液对纤维素溶液进行低温碱溶,得到纤维素碱溶液；将纤维素碱溶液离心分离去杂,取离心后获得的澄清液,干燥,凝胶,得到纤维素凝胶；将纤维素凝胶进行冻干,加入ZnCl-2并分散进行活化；得到的表面有机锌化合物在惰性气体氛围下碳化,得到纤维素凝胶碳化物；将纤维素凝胶碳化物进行酸洗、去离子水洗至中性,烘干,得到纤维素溶液凝胶纳米碳材料。与现有技术相比,本发明得到的衍生的分级多孔活性炭材料具有独特性能,得到了高性能超级电容器理想的电极材料。(The invention relates to a high-performance cellulose solution gel nano carbon material and a preparation method and application thereof, wherein the preparation process comprises the following steps: carrying out low-temperature alkali dissolution on the cellulose solution by using a NaOH solution to obtain a cellulose alkali solution; centrifuging cellulose alkali solution to remove impurities, taking clarified liquid obtained after centrifugation, drying and gelling to obtain cellulose gel; freeze drying cellulose gel, adding ZnCl 2 And dispersed for activation; carbonizing the obtained surface organic zinc compound in an inert gas atmosphere to obtain cellulose gel carbide; acid washing the cellulose gel carbide,Washing with deionized water to neutrality, and drying to obtain the cellulose solution gel nano carbon material. Compared with the prior art, the derived hierarchical porous activated carbon material obtained by the invention has unique performance, and the ideal electrode material of the high-performance super capacitor is obtained.)
技术领域
本发明涉及超级电容器电极材料制备领域，尤其是涉及一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用。
背景技术
环境保护和可再生能源转化存储仍然是当今世界的重要课题。能源供应是21世纪的人类必须面对的主要挑战，其储存和转化是否环境友好是必须考虑的方面。当今技术的巨大进步正在给我们的社会带来革命性的变化，然而伴随着电子和塑料废料的大量产生而来的是严重的环境问题。在过去的几十年中，便携式电子系统吸引了研究人员的注意力，用于开发储能设备如电池，超级电容器或燃料等。
其中，超级电容器利用离子吸附(电化学双层电容器)或快速表面氧化还原反应(赝电容器)来储存能量。超级电容器基于两种不同的工作机制，超级电容器可分为双电层电容器(EDLC)和法拉第伪电容器。前者通过电解质离子在电极/电解质界面上的静电吸附来执行，而后者则利用了某些过渡金属氧化物或氢氧化物表面上可逆的氧化还原反应的优势。从可持续发展的角度来看，纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，在能源等许多领域引起了广泛的关注。纤维素是可生物降解，亲水，不溶于水的材料，分子内和分子间存在大量氢键，并产生不同的纤维素结构。
因此如何大批量、工业化生产地将纤维素生物质原料应用于超级电容器电极材料中是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用，其中以纤维素作为碳前驱体，通过溶解，冻干，活化等方法，得到的衍生的分级多孔活性炭材料具有独特性能，得到了高性能超级电容器理想的电极材料，有利于纤维素生物质原料的大批量、工业化应用。
本技术方案的构思起点为：纤维素在大多数溶剂中的有出色稳定性，低毒性且具有天然丰度，透明性，低热膨胀，高弹性，各向异性以及与其他导电材料结合的能力。因其独特的结构和显着的特性成为一种可持续且有前途的纳米材料。它的环保特性，低成本，易得性和简单的合成技术使其成为制造绿色可再生能源存储设备的潜力材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是保护一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过NaOH溶液对纤维素溶液进行低温碱溶，得到纤维素碱溶液；
S2：将S1中获得的纤维素碱溶液离心分离去杂，取离心后获得的澄清液，干燥，凝胶，得到纤维素凝胶；
S3：将S2中得到的纤维素凝胶进行冻干，加入ZnCl2并分散均匀并在450～550℃下进行活化，得到表面有机锌化合物；
S4：将S3中得到的表面有机锌化合物在惰性气体氛围下碳化，得到纤维素凝胶碳化物；
S5：将S4中得到的纤维素凝胶碳化物进行酸洗、去离子水洗至中性，烘干，得到纤维素溶液凝胶纳米碳材料。
进一步地，S1中所述低温碱溶的过程中纤维素/NaOH/去离子的质量比：4:7：89。
进一步地，S1中所述低温碱溶过程中通过300-500r/min的搅拌促进溶解，搅拌时间为5-10min，搅拌的温度环境为-13℃。
进一步地，S2中所述离心分离去杂时采用的离心机转速为8000-10000r/min，离心时间为5min。
进一步地，S2中所述凝胶的加热温度为60-80℃，加热时间为8-12h。
进一步地，S3采用液氮进行冻干过程，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1。
进一步地，S4中所述碳化的温度为600-800℃，碳化时间为2-5h。
本发明的第二个目的是保护由上述制备方法得到的纤维素溶液凝胶纳米碳材料。
本发明的第三个目的是保护纤维素溶液凝胶纳米碳材料在超级电容器中的应用，将纤维素溶液凝胶纳米碳材料与碳黑和PTFE混合，并在超声氛围下进行分散，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
进一步地，所述纤维素溶液凝胶纳米碳材料、碳黑和PTFE的质量比为8:(0.8-1.2):(0.8-1.2)。
本发明得到的纤维素溶液凝胶多孔碳材料以2M H2SO4溶液作为电解液，选择三电极体系测定其电化学性能，三电极体系以Ag/AgCl电极作为参比电极，铂丝电极为对电极。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本发明提供了一种纤维素的溶液凝胶纳米碳材料的制备方法，所制备纤维素的溶液凝胶纳米碳材碳材料以微晶纤维素作为C源，将纤维素粉末与NaOH溶液混合，立即放在-13℃低温环境中防止NaOH溶液放热。在真空干燥箱中真空干燥，使其迅速形成凝胶并且避免空气污染，在500℃下与ZnCl2完成活化，锌离子离子和预碳化产物生成表面有机锌盐，对芳碳的表面电子云产生影响，从而增加材料的活性。然后对所得的产物在氮气的氛围下进行高温碳化，保持产物纯化。得纤维素溶液凝胶碳材料研磨后与碳黑和PTFE混合，再至于超声清洗器中超声混合，干燥，即得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
2)本技术方案所制备的纤维素溶液凝胶碳材料以微晶纤维素C源，活化剂ZnCl2在活化过程中有重要作用，可以作为模板促进碳骨架中孔和微孔的形成。活化过程中纤维素链通过分子间和分子内的氢键相互作用自聚集的同时氢键断裂构建了三维水凝胶，呈现分层多孔结构，是材料性能提升的重要因素之一。
3)本发明利用天然废弃物纤维素为碳前驱体，节约成本，廉价环保，电学性能测试CV图中形成两条闭合曲线且闭合面积较大说明，材料的电化学性能良好，完全可以实现纤维素原料的工业化推广。
附图说明
图1为实施例1制备的纤维素溶液凝胶纳米碳材料在10mVs-1的扫描速度下的CV图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为300r/min，时间为5min；
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为10000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为600℃，时间为5h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。从CV曲线可以看出曲线围成的面积很大，说明电化学性能良好。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在200左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例2：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为500r/min，时间为8min；
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60℃，时间为8h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行450℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为700℃，时间为2h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在210左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例3：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为500r/min，时间为10min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为800℃，时间为5h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在220左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例4：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为300r/min，时间为8min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行550℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为800℃，时间为3h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在210左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例5：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200mlNaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为500r/min，时间为10min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为800℃，时间为5h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在190左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例6：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200mlNaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为400r/min，时间为10min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为8h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为600℃，时间为2h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料。
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:0.8:1的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在210左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例7
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200mlNaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为300r/min，时间为5min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为700℃，时间为2h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料，
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1:1的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在220左右，说明此材料的电化学性能良好。
本发明在用于超级电容器的纤维素溶液凝胶碳材料的制备过程中，各工艺条件还可以根据需要在以下工艺范围内任意调整，均能实现较优的电极性能，其中：步骤(1)中，取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，搅拌转速为300-500r/min，时间为5-10min；步骤(2)中，离心分离的转速为8000-10000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60-80℃，时间为8-12h，冻干前用液氮预冷处理；步骤(3)中，冻干前用液氮预冷处理，高温煅烧的工艺条件为：预碳温度为500℃，时间为2h；高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为600-800℃，时间为2-5h。干燥温度为60℃，时间为12h。所得纤维素溶液凝胶碳材料研磨后与碳黑和PTFE混合，纤维素溶液凝胶碳材料、碳黑与PTFE的质量比为8:(0.8-1.2):(0.8-1.2)；再置于超声清洗器中超声混合，干燥，即得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。