一种水热法制备汉麻秆芯基炭材料的方法
技术领域
本发明涉及废弃生物质制备炭材料领域，具体涉及一种水热法制备汉麻秆芯基炭材料的方法。
背景技术
汉麻在我国具有悠久的种植历史，是一种种植简单、生长迅速、密度低强度高、本身具有天然杀菌成分的天然生物质。利用汉麻纤维制成的织物具有良好的吸湿透气性，因此汉麻纤维广泛应用纺织行业。传统汉麻利用主要集中在麻籽和外层韧皮纤维上，而占汉麻纤维总产量70-80％的汉麻秆芯资源在各领域的利用情况十分不理想，通常被作为农业废弃物填埋或者做燃料焚烧处理。这种传统的垃圾填埋、焚烧等处理方式不再适用于人类健康和环境保护等原则，因此开发汉麻秆芯这一生物质废弃物在其他方面应用就具有重要意义。
水热炭化是指将生物质转化为以生物炭为主的一系列高附加值产物的热化学转化过程，反应温度和压力较低，条件相对温和。水热炭化期间经历脱水、脱羧、缩聚等反应过程，可看作是一种加速煤化的过程，利用水热炭化技术可以制得粒径尺寸均匀、形貌结构良好和具有多种含氧官能团的炭材料，再通过后续活化处理后可生成高效稳定具有纳米尺度的炭功能材料，应用在吸附和电极材料等领域。汉麻秆芯独特的化学性质和疏松多孔的结构使其成为一种适合制备生物炭材料的原料，制成的汉麻秆芯基炭材料在吸附和电极材料方面有着巨大的开发和应用前景。
发明内容
本发明中以汉麻秆芯为原料，采用水热炭化技术，并在水热过程中选择性加入催化剂，再通过KOH高温活化过程，制备出汉麻秆芯基多孔炭材料。
本发明一种水热法制备汉麻秆芯基炭材料的方法是按下述步骤进行的：
步骤一、汉麻秆芯预处理后粉碎，得到汉麻秆芯粉末；
步骤二、将汉麻秆芯粉末放入水热反应釜中，加入适量去离子水和含氧酸添加剂，在一定温度下进行水热炭化反应；
步骤三、将步骤二的产物水洗，醇洗，抽滤，烘干，得到汉麻秆芯前驱体；
步骤四、将汉麻秆芯前驱体与KOH混合均匀，加入去离子水浸泡一定时间后烘干；
步骤五、将步骤四烘干后的产物放入管式炉内，在惰性气体保护下高温活化，冷却降温后，酸洗、水洗、烘干，即得到汉麻秆芯基炭材料。
其中，步骤一中的预处理的操作如下：将汉麻秆芯在5wt％NaOH溶液中浸泡3-5h，然后使用去离子水洗至溶液中性为止，在90～110℃条件下烘干18～24h，干燥后粉碎过200目筛。
步骤二中所述的汉麻秆芯粉末与去离子水的质量比为：(5～20)∶100，含氧酸添加剂为柠檬酸或丙烯酸，含氧酸与汉麻秆芯质量比为(1～10)∶20。
步骤二中水热炭化反应温度为200～290℃，反应时间为3～8h。
步骤三中干燥温度为90～110℃，干燥时间为12～20h。
步骤四中汉麻秆芯前驱体与KOH的质量比为1∶(1～5)，浸泡时间为20～24h，干燥温度为90～110℃。
步骤五中的惰性气体为氮气或者氩气。
步骤五中的高温活化处理步骤如下：以5℃/min的升温速率升至700～800℃，恒温维持1～2h，随后自然冷却至室温。
步骤五中酸洗用稀盐酸、稀硝酸或者稀硫酸清洗。
步骤五中的烘干温度为100～120℃，烘干时间为12～18h。
附图说明
图1为实施例1中汉麻秆芯基炭材料的扫描电子显微镜图；
图2为实施例1中汉麻秆芯基炭材料的氮气吸附脱附曲线；
图3为实施例1中汉麻秆芯基炭材料的恒电流充电放电曲线。
具体实施方式
通过以下具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容。
实施例1
本实施方式中一种以汉麻秆芯为原料，采用水热炭化技术制备高比表面积多孔炭是按下述步骤进行的：
步骤一、将汉麻秆芯浸泡在5wt％NaOH溶液中5小时，随后用大量去离子水洗至溶液中性为止，然后在105℃条件下烘干24h，粉碎过200目筛得到汉麻秆芯粉末。
步骤二、将4g步骤一获得的汉麻秆芯粉末加入到容积为100ml的聚四氟乙烯内衬中，再加入50ml的去离子水，搅拌均匀，然后密闭含有四氟乙烯内衬的高压反应釜，并以5℃/min的升温速率在马弗炉中升温至290℃，恒温处理5h，随后自然冷却至室温。
步骤三、过滤收集水热炭化反应的固体产物，使用去离子水、乙醇多次清洗、抽滤后，在105℃条件下干燥12h，即得到汉麻秆芯水热炭前驱体。
步骤四、称取9gKOH和3g汉麻秆芯水热炭于钵体中混合均匀，随后加入少量去离子水浸泡24h后，110℃条件下烘干30h。
步骤五、烘干后样品放入管式炉中，在流速为100ml/min的氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升至800℃，维持2h，自然冷却降温后，用80℃的0.1mol/L稀盐酸和去离子水多次清洗活化炭，在105℃条件下烘12h，即得到汉麻秆芯水热炭。
实施例2
本实施方式中一种以汉麻秆芯为原料，采用水热炭化技术并在水热过程中加入柠檬酸添加剂来制备高比表面积多孔炭是按下述步骤进行的：
步骤一、将汉麻秆芯浸泡在5wt％NaOH溶液中5小时，随后用大量去离子水洗至溶液中性为止，然后在105℃条件下烘干24h，粉碎过200目筛得到汉麻秆芯粉末。
步骤二、将4g步骤一获得的汉麻秆芯粉末和1g柠檬酸加入到容积为100ml的聚四氟乙烯内衬中，再加入50ml的去离子水，搅拌均匀，然后密闭含有四氟乙烯内衬的高压反应釜，并以5℃/min的升温速率在马弗炉中升温至290℃，恒温处理5h，随后自然冷却至室温。
步骤三、过滤收集水热炭化反应的固体产物，使用去离子水、乙醇多次清洗、抽滤后，在105℃条件下干燥12h，即得到汉麻秆芯水热炭前驱体。
步骤四、称取9gKOH和3g汉麻秆芯水热炭于钵体中混合均匀，随后加入少量去离子水浸泡24h后，110℃条件下烘干30h。
步骤五、烘干后样品放入管式炉中，在流速为100ml/min的氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升至800℃，维持2h，自然冷却降温后，用80℃的0.1mol/L稀盐酸和去离子水多次清洗活化炭，在105℃条件下烘12h，即得到汉麻秆芯水热炭。
实施例3
本实施方式中一种以汉麻秆芯为原料，采用水热炭化技术并在水热过程中加入丙烯酸添加剂来制备高比表面积多孔炭是按下述步骤进行的：
步骤一、将汉麻秆芯浸泡在5wt％NaOH溶液中5小时，随后用大量去离子水洗至溶液中性为止，然后在105℃条件下烘干24h，粉碎过200目筛得到汉麻秆芯粉末。
步骤二、将4g步骤一获得的汉麻秆芯粉末和1g丙烯酸加入到容积为100ml的聚四氟乙烯内衬中，再加入50ml的去离子水，搅拌均匀，然后密闭含有四氟乙烯内衬的高压反应釜，并以5℃/min的升温速率在马弗炉中升温至290℃，恒温处理5h，随后自然冷却至室温。
步骤三、过滤收集水热炭化反应的固体产物，使用去离子水、乙醇多次清洗、抽滤后，在105℃条件下干燥12h，即得到汉麻秆芯水热炭前驱体。
步骤四、称取9gKOH和3g汉麻秆芯水热炭于钵体中混合均匀，随后加入少量去离子水浸泡24h后，110℃条件下烘干30h。
步骤五、烘干后样品放入管式炉中，在流速为100ml/min的氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升至800℃，维持2h，自然冷却降温后，用80℃的0.1mol/L稀盐酸和去离子水多次清洗活化炭，在105℃条件下烘12h，即得到汉麻秆芯水热炭。
用扫描电镜对实施例1、实施例2和实例3产物的表面形貌进行观察，可以看到各产物表面都是多孔的。对实施例1产物进行氮气吸附脱附实验，炭材料孔径是微孔和介孔两种结构，比表面积是844.35m2/g。
用上述所得的炭材料作为电极材料的工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，用浓度为6M的KOH溶液作为电解液，在1-15A/g的电流密度下进行恒电流充放电测试，得到实例1的炭材料的比电容为105F/g。
本发明不限于以上实例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、替代，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
