本發明屬于材料與電化學儲能器件領域，更具體地，涉及一種植物材料制備的微孔碳結構的電極材料。

背景技術：

隨著現代生活和工業生產對化石燃料的需求和消耗不斷增加，人類的生存環境正面臨著嚴峻的考驗，這也刺激著人們不斷去探索開發清潔可再生能源，而對于太陽能、風能等最常用的可再生能源都是間歇性的，無法連續不斷的提高能量，因此需要發展高效率能源存儲技術在供能充足時儲備能量用于再供能不足時提供能量。

二次鋰離子電池作為一種高性能的能源存儲器件近年來得到了迅速的發展，并被廣泛應用于各種便攜式電子設備及電動汽車當中，同時人們的現代化快節奏的生活對能源存儲器件的需求也越來越大，因此研發高性能的鋰離子電池電極材料顯得尤其重要。石墨作為目前商業鋰離子電池所用的傳統負極材料，在使用過程中面臨的主要問題在于比容量低并且循環衰減快，因此需要發展其他的高性能低成本低污染的電極材料來取代傳統的商業石墨電極。碳材料由于具有高導電性，容易制備多孔結構而具有大的比表面積，以及化學穩定性等多重優點而被認為是極具發展潛力的電極材料。例如longqie等采用氧化劑模板誘導聚合方法，利用吡咯單體合成了多孔碳纖維網絡結構，具備超高的比容量以及優異的循環穩定性，但其缺點所需原材料貴，難以實現商業化應用(adv.mater.2012,24,2047–2050)；zhiqiangxie等采用金屬有機物框架(mof)和石墨烯合成了多孔碳納米球生長在石墨烯片上的三明治結構，同樣的，雖然其具有優異的性能和新穎的結構，但復制的制備工藝使其無法滿足商業化的應用(acsappl.mater.interfaces2016,8,10324-10333)?；谏鲜龇桨傅膬烖c及缺點，本專利提供了更加實際可行的制備方法來獲得高性能的鋰離子電池負極材料，不僅低成本，且對環境無污染。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料及制備方法和應用。該植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料具有優異性能，且制備過程簡單綠色無污染并，能夠實現自然廢棄物的再利用，在發揮商業價值的同時能夠節約資源并有利于環境保護。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料，該電極材料由以下步驟制備得到：

步驟一：除去富含纖維素植物當中的殘留的糖分：

將富含纖維素植物切成長度為3-5厘米的小段，在純凈的去離子水中沸煮1-2小時，然后在乙醇中沸煮1-2小時，如此重復2-3次，以除去其中殘留的糖分，之后在80-100度的烘箱中干燥8小時以上；

步驟二：碳化：

將上述步驟一中獲得的干燥的富含纖維素植物殘渣在保護氣體的氛圍下加熱到900-1100℃并保溫4-5小時后自然冷卻，得到多微孔的碳材料；

步驟三：表面功能化：

將所述步驟二制備的多微孔碳材料浸泡在在強酸下高溫處理，使碳表面添加活性官能團，過濾并洗滌，干燥后即得到微孔碳結構的高性能電極材料。

優選地，步驟三中干燥后得到的微孔碳結構的高性能電極材料疏松多孔，孔徑為2-5微米。

優選地，步驟三中干燥后得到的微孔碳結構的高性能電極材料表面富含含氧官能團。

優選地，步驟三中干燥后得到的微孔碳結構的高性能電極材料表面富含羥基、羧基或者羰基官能團。

優選地，所述富含纖維素植物為甘蔗或玉米秸稈或高粱。

優選地，所述保護氣體為高溫下不會與制備過程中的產物和原料反應的氣體。

優選地，所述保護氣體為氬氣或者氮氣。

優選地，步驟三中所述表面功能化是指將多微孔碳材料在98％的濃硫酸和70％的濃硝酸按體積比3:1配制的溶液中，加熱到110℃并連續攪拌10-20分鐘，過濾并用去離子水和乙醇洗滌。

按照本發明的另一方面，提供了一種植物材料微孔碳結構的高性能電極材料的應用，作為電極材料應用于鋰離子電池或者是燃料電池。

本發明制備植物材料微孔碳結構的高性能電極材料，具備以下有益效果：

(1)采用原材料來源于植物，對環境無污染，且能將廢渣進行再次利用，能夠節約資源；

(2)所用酸液可重復利用，對環境危害??；

(3)采用富含纖維素植物使用完之后的廢棄物，且制備方法簡單，降低了制備成本；

(4)所制備的植物材料碳材料具有多微孔結構，疏松多孔具有較大比表面積，并具有良好的導電性，因而作為電極材料可以更加有利于電解液離子的擴散以及電子的傳輸，有利于電解液的浸潤，提高電極反應速率，同時高比表面積也意味著具有更多的表面活性位點，有益于提高電極反應效率。

(5)多孔碳的邊緣非常薄，具有良好的可塑性，因此在電極反應過程中結構不易受到破壞，有利于增強材料的循環穩定性。多孔結構導致的更大的比表面積可提供更多的鋰離子存儲位點，有利于提高電極材料的比容量。

(6)表面所富含得羥基和羧基等含氧官能團也有利于在碳材料表面引起缺陷，而缺陷的引入會改變碳材料的電子結構從而增強其電化學反應活性。這些含氧官能團會在碳表面引起的缺陷為鋰離子的存儲提供了更多的反應位點，同時鋰離子在含氧官能團上的吸附作用也提供了額外的鋰離子存儲容量。

(7)同時由于材料特殊的三維多孔結構，所制備的電極材料具有良好的結構穩定性和良好的倍率特性，相對于商業石墨可以承受更大電流的充放電過程。

附圖說明

圖1是植物材料微孔碳結構的高性能電極材料的制備原理圖；

圖2是植物材料微孔碳結構的高性能電極材料的xrd圖；

圖3是植物材料微孔碳結構的高性能電極材料放大倍數為2000的sem圖；

圖4是植物材料微孔碳結構的高性能電極材料放大倍數為800的sem圖；

圖5是植物材料微孔碳結構的高性能電極材料的拉曼測試圖；

圖6是植物材料微孔碳結構的高性能電極材料和石墨烯在鋰離子電池中0.33c(c＝372mag^-1)的電流密度下充放電的循環性能圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

實施例1

一種植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料的綠色制備方法如圖1所示，包括如下步驟：

步驟一：除去甘蔗殘渣當中的殘留的糖分

將甘蔗榨干后切成小段長度為3厘米的小段，在純凈的去離子水和乙醇中各煮沸1.5小時，如此重復兩次，除去其中殘留的糖分，之后在80度的烘箱中干燥8小時將其烘干。

步驟二：甘蔗殘渣的碳化

將上述步驟一中獲得的干燥的甘蔗殘渣在保護氣體氬氣的氛圍下加熱到900℃并保溫4小時后自然冷卻，得到多微孔的碳材料。

步驟三：多微孔碳材料的表面功能化

將所述步驟二制備的多微孔碳材料浸泡在98％的濃硫酸和70％的濃硝酸按體積比3:1配制的溶液中，加熱到100℃并連續攪拌10分鐘，過濾并用去離子水和乙醇洗滌。

實施例2

本發明的一種植物材料微孔碳結構的高性能電極材料，微孔碳結構疏松多孔，孔徑為3.5微米，表面富含羥基,羧基和羰基等含養官能團，這些含氧官能團會在碳表面引起許多缺陷，這些表面缺陷為鋰離子的存儲提供了更多的反應位點，同時鋰離子在含氧官能團上的吸附作用也提供了額外的鋰離子存儲容量。

此種植物材料微孔碳結構的高性能電極材料的綠色制備方法包括如下步驟：

步驟一：除去玉米秸稈殘渣當中的殘留的糖分

將玉米秸稈榨干后切成長度為4厘米的小段，在純凈的去離子水和乙醇中各煮沸1小時，如此重復三次，除去其中殘留的糖分，之后在90度的烘箱中干燥9小時將其烘干。

步驟二：甘蔗殘渣的碳化

將上述步驟一中獲得的干燥的甘蔗殘渣在保護氣體氮氣的氛圍下加熱到1000℃并保溫4.5小時后自然冷卻，得到多微孔的碳材料。

步驟三：多微孔碳材料的表面功能化

將所述步驟二制備的多微孔碳材料浸泡在98％的濃硫酸和70％的濃硝酸按體積比3:1配制的溶液中，加熱到110℃并連續攪拌15分鐘，過濾并用去離子水和乙醇洗滌。

植物材料微孔碳結構的高性能電極材料作為電極材料應用于鋰離子電池。

實施例3

一種植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料的綠色制備方法包括如下步驟：

步驟一：除去高粱殘渣當中的殘留的糖分

將高粱榨干后切成小段長度為5厘米的小段，在純凈的去離子水和乙醇中各煮沸2小時，如此重復兩次，除去其中殘留的糖分，之后在100度的烘箱中干燥10小時將其烘干。

步驟二：甘蔗殘渣的碳化

將上述步驟一中獲得的干燥的甘蔗殘渣在保護氣體氬氣的氛圍下加熱到1100℃并保溫5小時后自然冷卻，得到多微孔的碳材料。

步驟三：多微孔碳材料的表面功能化

將所述步驟二制備的多微孔碳材料浸泡在98％的濃硫酸和70％的濃硝酸按體積比3:1配制的溶液中，加熱到120℃并連續攪拌20分鐘，過濾并用去離子水和乙醇洗滌。

植物材料微孔碳結構的高性能電極材料作為電極材料應用于燃料電池。

實施例4

采用制備得到的植物材料微孔碳結構的高性能電極材料呈粉末狀，通過xrd測試，如圖2所示，可以看出只有兩個明顯的寬闊的衍射峰對應碳的(002)和(100)晶面，而不存在其他的衍射峰，可以確定樣品中只含有碳，沒有其他雜質相的存在。且通過電鏡觀察得出材料的微觀形貌呈多微孔相互連接的三維結構。如圖3、圖4所示，孔徑為2-5微米。多孔碳的邊緣非常薄，具有良好的可塑性，因此在電極反應過程中結構不易破壞，且多孔三維結構大大提高的電解液的擴散速率和電極材料與電解液的接觸面積，因此這種新穎的結構為電極的穩定性及良好的電化學性能提供了保障；通過拉曼測試，如圖5所示，可以看出材料的石墨化程度較高，說明此碳質材料具有良好的導電性，有利于電化學性能的發揮。

實施例5

所得樣品與石墨烯對比做為鋰離子電池負極材料組裝成電池進行循環測試，如圖6所示，可以得出該材料在電流密度為0.33c(c＝372mag^-1)的條件下比容量達到311mahg^-1，可以與石墨烯的儲鋰性能相媲美。而目前所常用的鋰離子電池負極材料通常是商業石墨，其理論比容量為372mag^-1，而實際使用過程中石墨的理論比容量是遠遠小于其理論值的。同時由于特殊的三維多孔結構，所制備的電極材料具有良好的結構穩定性和良好的倍率特性，相對于商業石墨可以承受更大電流的充放電過程，因此所制備的電極材料相比于傳統商業石墨性能優越，且制備過程簡單，具有一定的商業化潛力。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。