一种生物炭基金属盐复合热能转化材料及其制备方法与应用-k8凯发

本发明属于储能功能材料领域，涉及一种生物炭基金属盐复合热能转化材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、在能源与环境双重危机的残酷现实面前，全球各国均逐渐加大对绿色清洁能源的开发与利用同时提升传统能源的利用效率，并努力通过在两种措施上共同发力来推动能源结构转型和实现“碳达峰、碳中和”的目标。尽管如此，可再生能源属于非稳态的波动性能源，其在使用过程中会受到间歇性和地域分布不均等因素的影响，因而使其存在低效和难以被直接利用的问题。另一方面，大量的工业余热资源的不充分利用问题也与低碳经济和可持续发展的主流经济趋势背道而驰。在这样的背景下，能够将空间分布广，且存在时间上和数量上波动性的非稳态的可再生能源，整流成持久且可控的稳态能源，进而有效地解决能源供需不匹配的矛盾关系并实现清洁能源高效利用的储热技术的开发成为了节能减排新能源战略中的关键一环。

2、在全球大力推进可持续发展的背景下，将储量丰富、可持续获得但未充分利用的生物质废料转换为可以储存并转化的可再生能源的基质材料展现出广阔的应用前景。最近，相比于昂贵的造价、制备过程复杂且有毒的传统碳材料，具有环境友好、廉价易得等优点的生物质废料衍生的生物炭在储能和催化领域大放异彩。但由生物质材料衍生的碳材料仍然具有比表面积较低以及孔结构单一的缺点，从而极大地阻碍了其多样化应用。在这样的背景下，将生物炭利用活化试剂进行进一步活化的策略在扩展生物炭应用方面得到了广泛应用。但经过单一活化试剂活化后的活性生物炭通常无法满足实际应用中对复杂结构的需求。为了解决这个固有问题，如何合理设计并通过目的明确的多级活化手段制备具有高比表面积的多孔结构的生物炭材料成为该类材料的研究焦点。

技术实现思路

1、为了改善上述技术问题，本发明提供一种生物炭基金属盐复合热能转化材料及其制备方法和应用。

2、本发明提供一种复合材料，所述复合材料包括由生物质材料衍生的多孔生物炭载体和金属盐水合物。

3、根据本发明的实施方案，金属盐水合物包括mgso4·7h2o、cacl2·2h2o、mgcl2·6h2o、c6h5na3o7·5h2o、cr(ch3coo)2·2h2o、ch3cooli·2h2o、na2moo4·2h2o和ni(no3)2·6h2o等中的至少一种。

4、根据本发明的实施方案，所述生物质材料包括玉米棒、秸秆、甘蔗渣、甘蔗皮、竹子、桂花枝、花椒枝和狐尾草等中的至少一种。

5、根据本发明的实施方案，所述复合材料中金属盐水合物的质量分数为20-80％，例如为40-70％，示例性为40％、50％、60％、70％。

6、根据本发明的实施方案，所述复合材料的能量密度不低于700kj/kg，例如能量密度为700-1500kj/kg，示例性为730.6kj/kg、867.3kj/kg、1199.5kj/kg、1427.1kj/kg。

7、根据本发明的实施方案，所述复合材料的峰值放热温度为100-120℃，例如为105-120℃，示例性为108.2℃、111.8℃、117.1℃、119.3℃。

8、根据本发明的实施方案，所述复合材料由包括生物质材料衍生的多孔生物炭载体和金属盐水合物的原料制备得到。

9、根据本发明的实施方案，金属盐水合物包括mgso4·7h2o、cacl2·2h2o、mgcl2·6h2o、c6h5na3o7·5h2o、cr(ch3coo)2·2h2o、ch3cooli·2h2o、na2moo4·2h2o和ni(no3)2·6h2o等中的至少一种。

10、根据本发明的实施方案，所述复合材料为生物炭基金属盐复合材料，可用作热能转化材料。

11、本发明还提供上述复合材料的制备方法，包括将生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物混合，进行水热反应、干燥、通入水蒸气进行水合反应制备得到所述复合材料。

12、根据本发明的实施方案，所述生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物的质量比为1:(0.5-2.8)，优选为1:(0.5-2.4)，例如为1:(0.6-2.3)，示例性为1:0.67、1:1.0、1:1.5、1:2.3。

13、根据本发明的实施方案，所述生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物的反应在溶液中进行。例如，将生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物溶于水中得到混合溶液。

14、根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对混合溶液进行搅拌。例如，所述搅拌的时间为1-5小时，示例性为2小时。

15、根据本发明的实施方案，所述水热反应的温度为120-180℃，示例性为120℃、150℃、180℃；所述水热反应的时间为10-20小时，示例性为12小时、14小时、16小时、18小时。

16、根据本发明的实施方案，所述干燥的温度为200-400℃，示例性为200℃、300℃、400℃；所述干燥的时间为4-6小时，示例性为4小时、5小时、6小时。

17、根据本发明的实施方案，所述水合反应的时间为10-120分钟，示例性为60分钟。

18、根据本发明的实施方案，所述水合反应的温度为30-45℃，示例性为35℃。

19、根据本发明的实施方案，所述生物质材料衍生的多孔生物炭载体的制备方法，包括如下步骤：

20、(a)将生物质材料与三聚氰胺混合，然后在氮气条件下高温煅烧，得到生物质材料衍生的初步碳化产物；

21、(b)将初步碳化产物与koh混合，然后进行高温活化处理，得到生物质材料衍生的多孔生物炭载体。

22、优选地，步骤(a)中，还包括将生物质材料在-70℃进行预冻处理。例如，所预冻的时间为4-6小时，示例性为5小时。

23、优选地，步骤(a)中，还包括对预冻产物进行真空冷冻干燥。例如，所述真空冷冻干燥的时间为24-60小时，示例性为48小时。

24、优选地，步骤(a)中，还包括对真空冷冻干燥后的产物进行粉碎、过筛得到生物质材料粉末。

25、优选地，步骤(a)中，生物质材料与三聚氰胺的质量比为1:(1-3)，示例性为1:1、1:2、1:3。

26、优选地，步骤(a)中，还包括对混合后的生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物进行研磨。例如，所述研磨的时间为1-2小时，示例性为1.5小时。

27、优选地，步骤(a)中，所述高温煅烧的温度为700-900℃，示例性为700℃、800℃、900℃；所述高温煅烧的时间为2-4小时，例如2小时、3小时、4小时。

28、优选地，步骤(a)中，所述高温煅烧的升温速率为3-10℃/min，示例性为5℃/min。

29、优选地，步骤(a)中还包括将高温煅烧后的产物降至室温。优选地，所述降温的速率为3-10℃/min，示例性为5℃/min。

30、优选地，步骤(a)中还包括对降至室温的产物进行洗涤、干燥。例如，所述干燥的温度为60～100℃(示例性为100℃)；所述干燥的时间为12-18小时(示例性为16小时)。

31、优选地，步骤(b)中，初步碳化产物与koh的质量比为1:(1-3)，示例性为1:1、1:2、1:3。

32、优选地，步骤(b)中，初步碳化产物与koh的反应在溶液中进行。例如，将初步碳化产物与koh溶于水中得到混合溶液。

33、优选地，步骤(b)中，还包括对混合溶液进行搅拌。例如，所述搅拌的时间为5-7小时，示例性为6小时。

34、优选地，步骤(b)中，还包括对混合溶液进行干燥。例如，所述干燥的温度为140-160℃，示例性为150℃；所述干燥的时间为1-3小时，示例性为2小时。

35、优选地，步骤(b)中，所述高温活化的温度为600-800℃，示例性为600℃、700℃、800℃；所述高温活化的时间为1-3小时，示例性为1小时、2小时、3小时。

36、优选地，步骤(b)中，所述高温活化的升温速率为3-10℃/min，示例性为5℃/min。

37、优选地，步骤(b)中，还包括将高温活化后的产物降至室温。优选地，所述降温的速率为3-10℃/min，示例性为5℃/min。

38、优选地，步骤(b)中，还包括将产物浸入hcl溶液中搅拌、过滤、洗涤至中性、干燥，得到生物质材料衍生的多孔生物炭载体。

39、例如，所述hcl溶液的浓度为1-4mol/l，示例性为2mol/l；所述搅拌的时间为3-5小时，示例性为4小时。

40、例如，所述干燥的温度为60～100℃(示例性为100℃)；所述干燥的时间为10-14(示例性为12小时)。

41、根据本发明的实施方案，所述复合材料的制备方法，包括如下步骤：

42、(1)制备由生物质材料衍生的多孔生物炭载体：

43、将生物质材料在-70℃预冻、真空冷冻干燥、粉碎，将粉碎好生物质材料粉末与三聚氰胺混合，在氮气条件下高温煅烧，然后降至室温，洗涤、干燥得到生物质材料衍生的初步碳化产物；

44、将初步碳化产物与koh溶于水中搅拌得到混合溶液，干燥，将所得的混合物粉末在氮气条件下进行高温活化处理，然后降至室温，将所得到的黑色粉末浸入hcl溶液搅拌、过滤、洗涤至中性、干燥，得到生物质材料衍生的多孔生物炭载体；

45、(2)制备生物炭基金属盐复合热能转化材料：

46、将生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物溶于水中，搅拌混合，进行水热反应、干燥、通入水蒸气进行水合反应制备得到所述复合材料。

47、本发明还提供上述复合材料在太阳热能以及工业废热等热能储能器件中的应用。

48、本发明还提供一种热能转化材料，其包括上述复合材料。

49、本发明的有益效果：

50、在蓄热容量大、能量保存周期长以及几乎无损的能量保持性等优异特性的共同作用下，金属盐水合物类化学储热材料在保证可再生能源系统运行的灵活性和稳定性、提高利用效率方面表现出了更为突出的工业应用价值。有鉴于此，本发明将生物炭应用到储热材料中设计并合成了一种不仅具有突出储热性能的生物炭基金属盐水合物化学储热材料，以提升可再生能源和工业余热资源利用率。具体而言：

51、本发明中的生物炭基金属盐复合热能转化材料利用生物质材料衍生的多孔生物炭作为载体，通过将由生物质材料衍生的多孔生物炭载体与金属盐水合物进行复合，从而制备出了生物炭基金属盐复合热能转化材料。本发明的生物炭基金属盐复合热能转化材料不仅具有高效储存与利用热能和跨季节的长时间热能储存的性能，同时还兼具优良的储热密度。本发明提供的复合材料有利于进一步充分利用太阳热能以及工业废热等丰富的热能资源。