新材料及其应用

本发明公开了一种基于浮萍的碳包覆金属氧化物电极材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：配制金属离子溶液；将浮萍浸入溶液中培养；之后对其进行氧化处理、碳化处理，即得基于浮萍的碳包覆金属氧化物电极材料。本发明以浮萍为主要原料，价格低廉、易于获得，且操作简单。本发明制得的电极材料具有优良的能量密度和功率密度。将该电极材料作为工作电极展示出较高的比电容、优良的导电性及优异的倍率特性，解决了现有超级电容器的电极材料容量低且长时间循环容量不断衰减等问题，其比电容在1A/g的电流密度下可达410F/g，电流密度升高到20A/g，比电容高达230F/g，电容保持率为56％。

化石能源的快速消耗对世界经济和生态环境产生重大影响。随着人们环保意识的提高，发展高效、清洁、安全的能源体系越来越受到研究者的关注。化学储能是能源体系的研究热点。在众多化学储能装置中，超级电容器因其安全、高效，可持续的特点得到了广泛的应用。以非粮生物质资源为核心的“新一代生物能源”纤维乙醇与微藻生物柴油具有良好的发展前景，但由于一些关键技术瓶颈尚未突破，导致较高的生产成本，严重制约其向产业化的推广应用。

水生植物浮萍是浮萍科植物的统称，是一类漂浮在淡水湖、池塘和水池中的水生植物，在世界各地均有分布，其繁殖主要是通过从母叶状体无性繁殖出子叶状体，繁殖速率几乎接近指数增长，其生物量每2d就可以增加一倍，是生长速度最快的植物之一。由于浮萍漂浮在水面上形成茂密的叶状体，所以极易采收。且浮萍淀粉含量极高，经过诱导后可以达到干重的65％，是一种非常具有潜力的淀粉类能源植物；目前，浮萍已被认为是最具有发展潜力的战略性新型非粮生物质原料之一，有望部分解决能源储存产业化发展所面临的原料瓶颈问题。此外，浮萍能在城镇化和养殖等污水中直接快速生长，生产非粮淀粉原料的同时起到净化污水作用，因此浮萍在净化污水和改善水质等方面也具有重要作用。在对储能材料安全性能日益苛刻的条件下，以绿色生物质碳材料为主的水系超级电容器领域受到了许多科研工作者的广泛研究。比如：“富N活性炭电极的制备方法”(CN102360959A)专利技术，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明以浮萍为主要原料，淀粉含量高、生长周期快，价格低廉、易于获得；

(2)本发明先在较高温下氧化目的在于使富集的金属离子转化为金属氧化物，然后在高温下进行碳化，浮萍中的纤维素、淀粉等聚合物炭化形成碳骨架，得到的产物为黑色固体，即碳包覆金属氧化物材料。本发明操作简单，且所需实验设备简便，无需特殊的技术手段去制备碳包覆金属氧化物电极材料，只需浮萍基本的生理功能去吸收溶液里的重金属离子，之后进行氧化、碳化即得目标产物；

(3)将本发明制备得到的材料作为超级电容器电极材料，制备非对称性水系超级电容器，能为水系超级电容器提供优异的化学性能。与现有超级电容器电极材料相比，本发明以浮萍衍生生物质碳包覆金属氧化物的方式得到的电极材料，较目前电极材料中金属氧化物的添加方式，金属氧化物在碳材料中分布更加均匀，所得的材料具有良好的形貌，碳材料与金属氧化物有效的结合更有利于提高电化学性能，解决了目前现有电极材料容量低且长时间循环容量不断衰减等问题，同时具有优良的能量密度和功率密度，导电性良好和比电容高等特点。经测试，其比电容在1A/g的电流密度下可达410F/g，电流密度升高到20A/g，比电容高达230F/g，其电容保持率为56％。将该电极材料作为工作电极展示出较高的比电容及优异的倍率特性；

(4)本发明选择了大自然丰富的资源浮萍为原料，不仅有利于解决能源短缺问题，还能有效的降低了电极材料制作成本；制作流程简单，使用安全，易于控制及规模化；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碳包覆金属氧化物电极材料。