一种生物质凝胶基多级孔有序三维网络结构碳材料的可控制
备方法
技术领域
背景技术
[0002] 电化学存储与转换装置是新
能源技术的一个重要组成部分，可以将
风能、光伏及生物质发电产生的
能量高效地存储起来以利于后续应用，解决了新能源存储网络连续
稳定性高效运行问题。作为新型电化学存储与转换装置，超级电容器因其具有高功率
密度、长寿命和快速的充放电性能等特性，被公认为在储能与转换领域具有非常大的应用前景，引起了科学界和企业界的广泛关注。目前，大多数商用超级电容器电极材料是由廉价的
活性炭构成的，具有资源丰富、易于制备、
比表面积高、电学性质稳定和热稳定等优点。碳气凝胶一般是由酚
醛树脂凝胶碳化而成，具有多级孔、高比表面积、良好的
导电性的三维纳米结构新型碳材料，是制备高
能量密度、高功率密度电容器的理想电极材料。
[0003] 制备碳气凝胶的
苯酚类和醛类等原材料有毒和
腐蚀性，另外，
酚醛树脂类碳凝胶在其制备过程中原树脂凝胶的三维纳米结构易崩塌，造成孔道阻塞，降低了孔道结构的有序性和完整性。本发明以聚丙烯酰胺/
淀粉/聚苯胺三网络凝胶为碳源，原材料廉价，工艺简便，材料孔道结构完整有序，在尝试用作超级电容器电极材料的研究中取得了良好效果。
发明内容
[0004] 本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的生物质凝胶基多级孔有序三维网络结构碳材料的可控制备方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种生物质凝胶基多级孔有序三维网络结构碳材料的可控制备方法，其特征在于具体过程为：
[0006] 步骤S1：将丙烯酰胺(AAM)、苯胺(ANI)、
丙烯酸(AA)、聚乙烯吡咯烷
酮(PVP)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和2-羟基-4'-(2-羟乙
氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure 2959)加到纯
水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0007] 步骤S2：将可溶性淀粉加到纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0008] 步骤S3：将步骤S1得到的溶液A加到步骤S2得到的溶液B中，在磁
力搅拌下形成透明
混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，再低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0009] 步骤S4：将步骤S3得到的聚丙烯酰胺凝胶/淀粉
干凝胶浸入到含有过
硫酸铵的
盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，再在40℃
真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0010] 步骤S5：将步骤S4得到的聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升至700℃恒温
热解2h得生物质凝胶碳化物；
[0011] 步骤S6：将步骤S5得到的生物质凝胶碳化物与氢氧化
钾按
质量比1:4的比例混合，加水浸泡后置于鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至600～800℃活化2h，冷却至室温后浸于2mol/L的盐
酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，用于清除活性碳材料结构中的矿物质杂质，再置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构、氮氧共掺杂碳材料，其比表面积为2373～3563m2/g，总孔体积为1.16～1.92cm2/g。
[0012] 优选的，步骤S5及步骤S6中所述惰性气体为氮气或氩气。
[0013] 优选的，步骤S6中所述活化
温度优选为700℃。
[0014] 优选的，所述生物质凝胶基多级孔有序三维网络结构碳材料的可控制备方法，其特征在于具体步骤为：
[0015] 步骤S1：将4.0g丙烯酰胺、0.466g苯胺、100μL丙烯酸、1.0g聚乙烯吡咯烷酮、272μL N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.265g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0016] 步骤S2：将5.935g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0017] 步骤S3：将步骤S1得到的溶液A加到步骤S2得到的溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，再低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0018] 步骤S4：将步骤S3得到的聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，再在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0019] 步骤S5：将步骤S4得到的聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升至700℃恒温热解2h得生物质凝胶碳化物；
[0020] 步骤S6：将步骤S5得到的生物质凝胶碳化物与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加水浸泡后置于鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至700℃活化2h，冷却至室温后浸于2mol/L的盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，用于清除活性碳材料结构中的矿物质杂质，再置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构、氮氧共掺杂碳材料，其比表面积为3349m2/g，在1A/g恒流充放电测试中其比电容为574F/g，在
电流密度为30A/g时比电容可高达328F/g，经10000次循环后有92.7％的比电容保持率。
[0021] 本发明与
现有技术相比具有以下有益效果：
[0022] 1、本发明所用原料廉价易得、制备过程简便，可以通过调控凝胶原料比例、热解温度、活化剂用量和活化温度高低来控制碳材料的比表面积大小及
孔径分布；
[0023] 2、本发明制备的多级孔有序三维网络结构碳材料具有结构稳定、导电性好、电化学性能优异、
循环寿命长以及高比电容量等优点，非常适合用作超级电容器电极材料；
[0024] 3、本发明通过生物质内部的自掺杂和活化后的氧元素外掺杂得到多级孔有序三维网络结构碳材料，比表面积最高可达3583m2/g，其中，优化的样品其比表面积3349m2/g，在1A/g的恒流充放电测试中其比电容为574F/g，该材料在电流密度为30A/g时比电容可高达
328F/g，经10000次循环后有92.7％的比电容保持率，因此该方法制备的碳超级电容器电极材料展现出良好的应用前景。
附图说明
[0025] 图1是
实施例2制得的多级孔有序三维网络结构碳材料的场发射扫描电镜图；
[0026] 图2是实施例2制得的多级孔有序三维网络结构碳材料的透射电镜图；
[0027] 图3是实施例2制得的多级孔有序三维网络结构碳材料的孔径分布图；
[0028] 图4是实施例1～3，5及8制得的多级孔有序三维网络结构碳材料的拉曼
光谱图；
[0029] 图5是实施例1～3，5及8制得的多级孔有序三维网络结构碳材料在不同电流密度下的质量比电容图。
具体实施方式
[0030] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
[0031] 实施例1
[0032] (1)将丙烯酰胺4.0g、苯胺0.466g、丙烯酸100μL、聚乙烯吡咯烷酮1.0g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺272μL和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮0.265g加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0033] (2)将5.935g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0034] (3)将溶液A加到溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，然后低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0035] (4)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0036] (5)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温热解2h，得生物质凝胶碳PSPC-1；
[0037] (6)将PSPC-1与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加入适量的水浸泡24h后放入鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃活化2h，冷却至室温，浸于2mol/L盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构碳材料，记作PSPC-1-600。
[0038] 实施例2
[0039] (1)将丙烯酰胺4.0g、苯胺0.466g、丙烯酸100μL、聚乙烯吡咯烷酮1.0g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺272μL和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮0.265g加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0040] (2)将5.935g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0041] (3)将溶液A加到溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，然后低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0042] (4)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0043] (5)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温热解2h，得生物质凝胶碳PSPC-1；
[0044] (6)将PSPC-1与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加入适量的水浸泡24h后放入鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至700℃活化2h，冷却至室温，浸于2mol/L盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构碳材料，记作PSPC-1-700。
[0045] 本实施例制得的多级孔有序结构碳材料的比表面积可达3349m2/g，在1A/g恒流充放电测试中其比电容为574F/g，该材料在电流密度为30A/g时比电容可高达328F/g，经10000次循环后有92.7％的比电容保持率，因此该方法制备的碳超级电容器电极材料展现出良好的应用前景。
[0046] 实施例3
[0047] (1)将丙烯酰胺4.0g、苯胺0.466g、丙烯酸100μL、聚乙烯吡咯烷酮1.0g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺272μL和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮0.265g加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0048] (2)将5.935g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0049] (3)将溶液A加到溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，然后低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0050] (4)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0051] (5)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温热解2h，得生物质凝胶碳PSPC-1；
[0052] (6)将PSPC-1与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加入适量的水浸泡24h后放入鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至800℃活化2h，冷却至室温，浸于2mol/L盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构碳材料，记作PSPC-1-800。
[0053] 实施例4
[0054] (1)将丙烯酰胺4.0g、苯胺0.466g、丙烯酸100μL、聚乙烯吡咯烷酮1.0g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺272μL和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮0.265g加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0055] (2)将11.87g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0056] (3)将溶液A加到溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，然后低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0057] (4)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0058] (5)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温热解2h，得生物质凝胶碳PSPC-2；
[0059] (6)将PSPC-2与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加入适量的水浸泡24h后放入鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃活化2h，冷却至室温，浸于2mol/L盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构碳材料，记作PSPC-2-600。
[0060] 实施例5
[0061] (1)将丙烯酰胺4.0g、苯胺0.466g、丙烯酸100μL、聚乙烯吡咯烷酮1.0g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺272μL和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮0.265g加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0062] (2)将11.87g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0063] (3)将溶液A加到溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，然后低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0064] (4)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0065] (5)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温热解2h，得生物质凝胶碳PSPC-2；
[0066] (6)将PSPC-2与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加入适量的水浸泡24h后放入鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至700℃活化2h，冷却至室温，浸于2mol/L盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构碳材料，记作PSPC-2-700。
[0067] 实施例6
[0068] (1)将丙烯酰胺4.0g、苯胺0.466g、丙烯酸100μL、聚乙烯吡咯烷酮1.0g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺272μL和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮0.265g加到14mL纯水中，持续搅拌形成均一的溶液A；
[0069] (2)将11.87g可溶性淀粉加到20mL纯水中，不断搅拌下加热到75℃直至形成均一透明的溶液B，自然冷却至室温待用；
[0070] (3)将溶液A加到溶液B中，在磁力搅拌下形成透明混合液，通入氮气15min，用紫外光照射直至形成聚丙烯酰胺凝胶，然后低温干燥形成聚丙烯酰胺凝胶/淀粉双网络凝胶；
[0071] (4)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉干凝胶浸入到含有过硫酸铵的盐酸溶液中，于4℃氧化反应12h得聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺三网络凝胶，在40℃真空条件下充分干燥得到聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶；
[0072] (5)将聚丙烯酰胺凝胶/淀粉/聚苯胺干凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下以2℃/min的升温速率从室温升温至700℃恒温热解2h，得生物质凝胶碳PSPC-2；
[0073] (6)将PSPC-2与氢氧化钾按质量比1:4的比例混合，加入适量的水浸泡24h后放入鼓风干燥箱中于105℃干燥12h，然后将混合物置于管式炉中在惰性气体保护下以5℃/min的升温速率从室温升温至800℃活化2h，冷却至室温，浸于2mol/L盐酸溶液中24h，用去离子水冲洗至滤液呈中性，置于80℃鼓风干燥箱中干燥得到多级孔有序三维网络结构碳材料，记作PSPC-2-800。
[0074] 实施例7
[0075] 本实施例的制备过程与实施例1基本一致，将实施例1步骤(2)中可溶性淀粉的添加量改为0，最终制得碳材料，记作PPC-600。
[0076] 实施例8
[0077] 本实施例的制备过程与实施例2基本一致，将实施例2步骤(2)中可溶性淀粉的添加量改为0，最终制得碳材料，记作PPC-700。
[0078] 实施例9
[0079] 本实施例的制备过程与实施例3基本一致，将实施例3步骤(2)中可溶性淀粉的添加量改为0，最终制得碳材料，记作PPC-800。
[0080] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和
说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
