一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法

本发明属于生物质基超级电容器，具体涉及一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法。

背景技术：

1、超级电容器作为一种兼具高功率密度、长循环寿命及快速充放电特性的储能器件，在能源存储与转换领域具有重要意义。超级电容器由外壳、集流体、电极材料、隔膜以及电解液五部分组成，其中电极材料是决定超级电容器电化学性能的核心。目前，商用超级电容器主要采用高比表面积活性炭作为电极材料。利用可再生、低成本的生物质前驱体制备多孔碳材料，是提升电极材料性价比和环境友好性的有效途径。其中，木质素作为第二大天然芳香族聚合物，具有碳含量高、芳香结构丰富、来源广泛等优点，被认为是一种极具潜力的碳前驱体。

2、然而，直接碳化木质素所得的多孔碳电极材料往往存在导电性一般、表面活性位点不足等问题，同时其受限于纯双电层储能机理，导致其比电容和能量密度较低。为了减小单一储能机理带来的限制，通过引入过渡金属为碳电极材料提供更多的赝电容是常用的策略。因此，在木质素分子与过渡金属之间构建稳定的共价连接成为了制备高性能木质素基复合材料的有效手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，通过构建共价键合的方式提高木质素电极材料性能。

2、本发明所采用的技术方案是，一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1，将木质素与naoh加入锥形瓶中混合，搅拌至完全溶解，再加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，搅拌反应。反应结束进行反沉淀，真空干燥，得到季铵盐木质素；

4、步骤2，将季铵盐木质素浸入过渡金属离子溶液中，搅拌反应。反应结束进行反沉淀，真空干燥，得到复合材料；

5、步骤3，将复合材料置于管式炉中，进行碳化，再将所得碳化材料与碱金属化合物混合并研磨，得到混合物。将混合物置于管式炉中高温活化，活化后材料经去离子水洗涤至ph为中性，过滤，干燥，得到木质素基复合电极材料；

6、步骤4，将木质素基复合材料与导电剂、粘结剂以及分散液在玛瑙研钵中研磨成泥浆状，将泥浆均匀涂覆在集流体上，进行烘干，得到木质素基复合电极。

7、本发明的特点还在于，

8、步骤1中，木质素的质量为1-20 g；naoh的体积为100～300 ml 浓度为0.2～0.6m；3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的体积为1～10 ml;在70～90 ℃搅拌反应2～6 h。反应结束向体系中滴加5～15 wt% k3fe(cn)6和30～40 wt% hcl进行反沉淀，真空干燥箱40～80℃进行干燥6～10 h。

9、步骤2中，季铵盐木质素的质量为1～5 g，浸入50～200 ml 1～8 m 过渡金属离子溶液中在60～80 ℃搅拌4～8 h；过渡金属离子为zn2+、cu2+、mn2+中的任意一种；反沉淀条件与步骤1相一致,真空干燥箱60～80 ℃下干燥8-12 h。

10、步骤3中，碳化和活化均在氮气氛围下，氮气的流量为20～60 ml/min；升温速率1～10 ℃/min，碳化温度1000～1200 ℃，保温30～200 min，活化温度600～1000 ℃，保温40～160 min，降温速率为5～15 ℃/min；碱金属化合物可选用koh、naoh、cacl2中的任意一种；复合材料与碱金属化合物的质量比为1：1～4。

11、步骤4中，木质素基复合材料、导电剂、粘结剂按照质量比为80～90：5～15：5～15；导电剂可选导电炭黑、石墨烯、乙炔黑中的任意一种；粘结剂为聚四氟乙烯分散液、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇中的任意一种；集流体为泡沫镍、铜箔、碳布中的任意一种。

12、本发明的有益效果是：

13、（1）本发明方法中，通过共价修饰策略制备季铵盐木质素，能够让金属离子在水溶液中更容易与季铵盐木质素分子上羟基的氧发生反应，形成稳定的金属-氧-碳结构，使木质素基电极材料拥有更多的电化学活性位点，提升电极材料的电化学性能。

14、（2）本发明以可再生、成本低的木质素作为主要碳源，绿色可持续。

1.一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

2.根据权利要求1所述的一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，木质素的质量为1～20 g；naoh的体积为100～300 ml 浓度为0.2～0.6 m；3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的体积为1～10 ml;在70～90 ℃搅拌反应2～6 h。反应结束向体系中滴加5～15 wt% k3fe(cn)6和30～40 wt% hcl进行反沉淀，真空干燥箱40～80 ℃进行干燥6～10 h。

3.根据权利要求1所述的一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，季铵盐木质素的质量为1～5 g，浸入50～200 ml 1～8 m 过渡金属离子溶液中在60～80 ℃搅拌4～8 h；过渡金属离子为zn2+、cu2+、mn2+中的任意一种；反沉淀条件与步骤1相一致,真空干燥箱60～80 ℃下干燥8～12 h。

4.根据权利要求1所述的一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，碳化和活化均在氮气氛围下，氮气的流量为20～60 ml/min；升温速率1～10 ℃/min，碳化温度1000～1200 ℃，保温30～200 min，活化温度600～1000 ℃，保温40～160min，降温速率为5～15 ℃/min；碱金属化合物可选用koh、naoh、cacl2中的任意一种；复合材料与碱金属化合物的质量比为1：1～4。

5.根据权利要求1所述的一种高性能木质素基复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，木质素基复合电极材料、导电剂、粘结剂按照质量比为80～90：5～15：5～15；导电剂可选导电炭黑、石墨烯、乙炔黑中的任意一种；粘结剂为聚四氟乙烯分散液、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇中的任意一种；集流体为泡沫镍、铜箔、碳布中的任意一种。