玉米皮基三維多級孔結構碳材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于三維多級孔結構碳材料；具體涉及玉米皮基三維多級孔結構碳材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]三維多級孔碳(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注。3D-HPCS具有獨特的孔結構和拓撲結構，在上述應用領域展現(xiàn)出許多優(yōu)點，包括:(1)相互連通的大孔、介孔和微孔孔結構；⑵高比表面；(3)連續(xù)的電子傳遞路徑；(4)孔徑分布窄。其中，互相連通的多級孔結構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)越的電化學性能和吸附性能。
[0003]目前，三維多級孔碳的制備方法主要采用硬模板法和軟模板法，對于硬模版法存在模板制備和除去過程復雜繁瑣、耗時、二次污染環(huán)境等缺點；而對于軟模板法，存在模板劑價格昂貴、碳源要求苛刻和合成時間長等問題。該兩種方法的上述缺陷，導致所制備的多級孔碳材料的性價比非常低，在一定程度上阻礙了工業(yè)化的應用。因此，探索一種簡單的、環(huán)保的無模板法制備多級孔碳的方法，特別是采用可持續(xù)的生物質(zhì)作為低價碳源，具有重要現(xiàn)實意義，更是一個挑戰(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，每年在中國產(chǎn)生1450X 104噸的玉米皮，可作為廉價的生物質(zhì)碳源制備先進的多級孔碳材料。若成功探索出玉米皮作為碳源制備先進的三維多級孔結構碳材料，將推動三維多級孔碳材料的商業(yè)化應用，給農(nóng)業(yè)帶來可觀的價值和經(jīng)濟效益。
[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，采用簡單的、易于工業(yè)化應用的方法由玉米皮制備三維多級孔碳無人報道。

【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孔碳材料及其制備方法。本發(fā)明采用價格低廉、產(chǎn)量豐富、可再生生物質(zhì)玉米皮作為碳源，通過簡單的、易于工業(yè)化的無模板法有效制備三維多級孔結構新型碳材料，解決了模板法過程繁瑣、耗時、成本高、難以實現(xiàn)工業(yè)化的難題。
[0007]本發(fā)明中玉米皮基三維多級孔結構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，冷卻后過篩，然后將固體在高純氮氣氣氛下焙燒，然后依次經(jīng)過鹽酸溶液清洗、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孔結構碳材料的制備方法是按下述步驟進行的:
[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，在高純氮氣(體積分數(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孔結構碳材料。
[0013]本發(fā)明在多級孔玉米皮基碳材料的合成過程中，KOH起到多重作用:(I)KOH作為預處理劑，將玉米皮中的纖維素與半纖維素/木質(zhì)素有效分離出來；(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孔碳材料具有許多獨特的物理化學性質(zhì)，其比表面積高達927m2 ^1，相互連通大孔、介孔和微孔孔結構，而且孔徑分布集中，含有富集氧功能團，含量為 12wt%? 17wt%。
【附圖說明】
[0015]圖1為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的SEM照片；圖2為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的高倍率SEM照片；圖3為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的低倍率TEM照片；圖4為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的高倍率TEM照片；圖5為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的氮氣吸附脫附曲線；圖6為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的廣角XRD譜圖；圖7為【具體實施方式】三方法制備的玉米皮基三維多級孔結構碳材料的XPS總譜圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式中玉米皮基三維多級孔結構碳材料的制備方法是按下述步驟進行的:
[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，在高純氮氣(體積分數(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孔結構碳材料。
[0021]本實施方式得到玉米皮基三維多級孔結構碳材料比表面積為928m2.Ρ，富集氧功能團含量為14.6wt%。
[0022]【具體實施方式】二:本實施方式中玉米皮基三維多級孔結構碳材料的制備方法是按下述步驟進行的:
[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目不銹鋼篩子過濾，留下固體；
[0025]步驟三、將步驟二獲得的固體在100°C條