新材料及其应用

本发明公开一种多孔生物质炭/Co(OH)2复合电极材料及其制备方法。所述多孔生物质炭/Co(OH)2复合电极材料以食物残渣土豆皮为原料，加入活化剂氢氧化钾、尿素充分混合，经脱水、炭化制备多孔生物质炭材料，再用硝酸钴作为钴源和氢氧化钾提供碱性条件在此多孔生物质炭材料进行表面生长，得到多孔生物质炭/Co(OH)2复合电极材料。该多孔结构材料比表面积大，有利于电解液的润湿和载流子在电极材料中的传输和迁移，以此提高炭材料的电化学性能。将该电极材料作为工作电极展示出较高的比电容、优异的倍率特性及良好的循环稳定性，且制备过程绿色环保、操作简单，该方法同时可以用来合成其他生物质材料衍生的多孔炭电极材料。

随着新型经济的快速发展对能源的需求与日益加剧的环境污染问题之间的矛盾，急切需求一种新型能量储存装置。超级电容器被称为电化学双层电容器，拥有功率密度高、充放电速度快以及出色的循环稳定性等特点。此外，超级电容器具有高功率性能和低维护成本等优点而被提出作为未来的替代能量存储设备。超级电容器不仅充电速度更快，而且更可靠，因为它们不易受温度变化的影响。因而，超级电容器在科学研究价值和广泛的商业应用领域上引起了科学界的重大关注。

生物质炭材料具有原材料易获取，制作成本低廉，属于清洁能源，对自然环境无污染等优势。生物质主要由木质素，半纤维素和纤维素组成，二木质素和半纤维素分布的无序性造成了生物质炭材料的形貌和孔隙分布的无规律性，使得生物质炭材料的循环性能和倍率性能受到极大的影响，为了适应更加苛刻的储能材料安全性能条件，许多科研工作者将研究的目标转向以绿色生物质炭材料为主的水系超级电容器的设计和制备。比如：“一种超级电容器用海藻基活性炭前驱体的制备方法”(CN108101051A)专利中是利用海藻干料为原料，经过破壁、除杂等一系列操作后得到前驱体，所得前驱体通过炭化活化后得到比表面积巨大的活性炭材料；“富N活性炭电极的制备方法”(CN102360959A)专利中是利用富含脲醛树脂的废弃刨花板作为原料，在惰性气氛下与氢氧化钾共混后炭化，然后用磷酸进行活化，制得富含氮元素的活性炭。上述方法的缺点是：1、富含脲醛树脂的原材料来源不广且产量小，价格也相对较贵；2、步骤繁琐，不利于工业化生产； 3、由于生物质本身的特殊结构，目前已知的生物质大多存在孔结构不规律，比表面积较小，掺杂原子含量少，比容量低等问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明以土豆皮为原料，先将其制成土豆皮粉，然后加入活化剂氢氧化钾、尿素充分混合，干燥、脱水得到炭前驱体，将干燥后的炭前驱体通过高温炭化和活化处理，制备得到了含有丰富的孔道结构和高石墨化程度的生物质炭，该结构具有较大的比表面积，有利于电解液的润湿和载流子在电极材料中的传输和迁移，以此提高炭材料的电化学性能。土豆皮粉中的纤维素等聚合物炭化形成碳骨架。用大量蒸馏水清洗，除去残余的氢氧化钾，尿素等成分，真空干燥后，得到生物质炭材料。再将硝酸钴作为钴源在氢氧化钾提供的碱性条件下对反应物质进行表面处理，用蒸馏水将多余的氢氧化钾洗掉，得到多孔生物质炭/Co(OH)2复合材料。将上述复合材料制备成超级电容器电极材料，具有比电容量高、可逆性和导电性好的特点。此外，本发明选择了土豆皮为原料，不仅有利于解决能源短缺问题,还有效的降低了电极材料成本；制作流程简单，使用安全，易于控制及规模化，具有环保、简单、安全、等优点。

本发明选用比电容和比功率较高的过渡金属氢氧化钴作为超级电容器的原料，氢氧化钴是典型的嵌入式电容材料,其独特的层状结构有利于离子的扩散与反应，从而具有较强的储能能力。经过活化、炭化处理的生物质炭具有大的比表面积，其与钴源复合后增大了活性材料的比表面积，提高导电性能，得到的复合材料具有生物质炭的特殊结构，使得复合生物质炭材料的储能更好，导电效率高。同时，复合材料克服了单一生物质炭材料的循环性、稳定性差的缺点，能够延长电极材料的使用寿命，并且复合材料结构能够去除彼此的缺点汇聚各自的优点，所得复合材料在超级电容器中具有更广泛的应用。