一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法。本發(fā)明所用原料來源豐富，價格低廉。所得活性炭的孔徑、比表面積可通過控制活化劑的用量及活化溫度進行有效地調整，并提高其超級電容儲能性能。采用本發(fā)明制備的高比表面積活性炭可用于超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、儲氫、催化等領域。
【專利說明】一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超級電容器炭電極材料的制備領域，具體涉及一種利用小蓬草為原料制備超級電容器用高比表面積活性炭的方法。

【背景技術】
[0002]發(fā)展高性能的能源存儲裝置是應對當今環(huán)境惡化和化石能源枯竭的巨大挑戰(zhàn)。超級電容器又稱極端電容器或電化學電容器，其能量密度是傳統(tǒng)電容器的幾百倍，功率密度高出電池兩個數(shù)量級，很好地彌補了電池功率低、大電流充放電性能差和傳統(tǒng)電容器能量密度小的缺點。此外，超級電容器具有充放電速率快(幾毫秒?、溫度適應范圍寬、循環(huán)壽命長(大于106次?、無污染等優(yōu)良特性，在很多特定條件下具有獨特的應用優(yōu)勢。
[0003]超級電容器按儲能機理不同，可分為雙電層電容器和(1011)316 1奶6！~081)8011:01-, )和法拉第準電容器(￠8611(10(3?)% 1)兩種。前者主要通過離子在電極/電解液界面轉移完成能量存儲；后者主要通過快速可逆的氧化還原反應進行能量存儲。目前廣泛應用于超級電容器的電極材料為炭材料(活性炭、炭氣凝膠、炭納米管、介孔炭和石墨烯),過渡金屬氧化物，附0)和導電聚合物(聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩兄活性炭材料來源豐富，價格低廉，資源可再生等特點，在成本上具有較大的優(yōu)勢而廣泛的用作電極材料。
[0004]目前活性炭主要以煤炭和石油焦等高含炭的礦物質為原料轉化而來，由于化學能源的枯竭和制備過程中對環(huán)境造成污染，使用天然生物原料制備炭基電極材料對資源的可再生利用和環(huán)境保護至關重要。天然生物材料小蓬草的纖維素和半纖維素含量達到70%以上，是制備炭材料的廉價原料。其炭化后主要是以非晶石墨片堆疊而成，且具有規(guī)則的大孔結構，通過堿性活化可以得到分級的多孔炭材料，比表面積達到1400 1以上，具有較寬范圍的孔徑分布結構，有利于電解液離子在炭材料孔結構內部的傳輸，有望成為工業(yè)化的超級電容器電極材料。然而，目前為止，沒有相關的技術研究，尚沒有人開發(fā)以天然的小蓬草為原料制備分級多孔的超級電容器用活性炭電極材料。
[0005]^13(16 1118^1111 ￡1111011^8111(11 等[八6 (16 1 匕8垃 1III ￡1111011^8111(11, 2111^11111:828^8^8-06118131^116, 6 七 &1，八(3 七 IV&七 6己 081*130115 ^1*01111 1011 0？ 81811
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【發(fā)明內容】

[0006]針對超級電容器炭基材料制備過程中存在的問題，本發(fā)明提出了一種利用天然生物材料小蓬草為原料制備具有三維網絡結構的超級電容器活性炭材料的方法。
[0007]本發(fā)明所提出的利用小蓬草為原料制備超級電容器活性炭的方法，依次包括如下步驟:
(^)炭化處理高溫炭化爐中將小蓬草采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理時間15
匕；
6)活性炭材料預處理將由匕)制備出的活性炭研磨成粉，并過200目分樣篩，
(￠)炭材料預活化將步驟6)中過篩材料與堿性活化劑以一定質量比混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24卜，放入真空干燥箱內，干燥10 11,；
((1)炭材料活化將步驟化)中制取得預活化的炭材料樣品，在一定溫度下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行；
(6)清洗將步驟((1)得到的活化活性炭材料，放入2 I此1溶液攪拌10匕充分反應后，用90-1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)；
(亡)干燥將步驟(6)中清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到活性炭材料；
(8)電極性能測試將步驟(￡)中的活性炭材料組裝成雙電極超級電容器。
[0008]步驟(￡1)中炭化溫度為10501。
[0009]步驟((1)中的活化劑可以采用的堿性物質為1(0！！、^0030
[0010]所述的活化劑為1(0?時，其與炭材料的質量比為，1?5。
[0011〕 所述步驟(6 )中的活化溫度為700?900 V。
[0012]根據權利要求1中一種利用小蓬草制備超級電容器用高比表面積活性炭的方法，其特征在于，所述的步驟匕)、((1)中的惰性氣體為氦氣、氬氣和氮氣的一種。
[0013]本發(fā)明以小蓬草為原料制備具有高電化學性能的超級電容器電極材料，具有如下突出效果和優(yōu)點:
①本發(fā)明選擇了以農業(yè)分布廣泛的外來入侵物種小蓬草為原料，其來源豐富，價格低廉，不僅滿足了資源的可持續(xù)發(fā)展同時對環(huán)境起到一定保護作用，有效地降低了電極材料的生產成本。
[0014]②本發(fā)明的產品經過簡單的炭化和工業(yè)上已經成熟的活化工藝制備，工藝簡單，易于工業(yè)化生產。
[0015]③本發(fā)明通過炭化、活化得到具有三維網絡結構的活性炭材料，其比表面積較高，孔徑分布較寬，非常適于制備超級電容器電極。且本方法制備的活性炭電極具有較高的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種理想的超級電容器電極材料，具有廣闊的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖匕為本發(fā)明中炭化小蓬草和不同活化溫度炭材料場發(fā)射掃描電鏡照片；
圖化為本發(fā)明中7001活化炭材料場發(fā)射掃描圖；
圖化為本發(fā)明中8001活化炭材料場發(fā)射掃描圖；
圖1(1為本發(fā)明中9001活化炭材料場發(fā)射掃描圖；
圖2為本發(fā)明中炭化小蓬草和不同活化溫度炭材料吸附曲線； 圖33為本發(fā)明中7001活化炭材料充放電性能曲線；
圖36為本發(fā)明中8001活化炭材料充放電性能曲線；
圖3^為本發(fā)明中9001活化炭材料充放電性能曲線；
圖3(1為本發(fā)明中活化炭材料不同倍率充放電性能曲線。

【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施實例進一步說明本發(fā)明。
[0018]實施例1
圖化為本發(fā)明中7001活化炭材料場發(fā)射掃描圖，圖中，將況小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:5混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥10匕將制備的預活化的炭材料樣品，在7001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為7001。
[0019]實施例2
圖10為本發(fā)明中8001活化炭材料場發(fā)射掃描圖，圖中，將況小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:5混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥10匕將制備的預活化的炭材料樣品，在8001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為8001。
[0020]實施例3
圖1(1為本發(fā)明中9001活化炭材料場發(fā)射掃描圖，圖中，將況小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:5混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥10匕將制備的預活化的炭材料樣品，在9001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為9001。
[0021]將上述實施例所得的超級電容器用活性炭材料，用場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行觀察，可以看到活化后炭壁上產生了大量的微孔，同時比表面積和孔徑分析儀，進一步驗證了其孔結構特征。
[0022]實施例4
將小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:1混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥10 11，將制備的預活化的炭材料樣品，在9001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為9001。
[0023]實施例5
將小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:2混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥10 11，將制備的預活化的炭材料樣品，在9001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為9001。
[0024]實施例6
將小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:3混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥10 11，將制備的預活化的炭材料樣品，在9001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為9001。
[0025]實施例7
將小蓬草在高溫炭化爐中，采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理溫度為10501，處理時間15 11，得到炭材料，將其研磨成粉，并過200目分樣篩；取其中粉，與1(0?以質量比為1:4混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 11，放入真空干燥箱，于1201干燥
1011，將制備的預活化的炭材料樣品，在9001下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行。將得到的活化炭材料，放入2 I此1溶液中攪拌10 11，充分反應后，用90?1001的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(1)--6?7)。將清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 I下真空干燥過夜，得到超級電容器活性炭材料，標記為9001。
【權利要求】
1.一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法，依次包括如下步驟: (a)炭化處理高溫炭化爐中將小蓬草采用惰性氣體保護方法，在700-1050°C進行炭化，處理時間15 h ； (b)炭材料預處理將由(a)制備出的炭材料研磨成粉，并過200目分樣篩； (c)炭材料預活化將堿性活化劑同步驟(b)中過篩材料與以一定質量比為(1?5)混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24 h，放入真空干燥箱內，干燥10 h； (d)炭材料活化將步驟(c)中制取得預活化的炭材料樣品，在一定溫度下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行； (e)清洗將步驟(d)得到的活化活性炭材料，放入2M HC1溶液攪拌10h，充分反應后，用90-100°C的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(pH ~ 6?7)； (f)干燥將步驟(e)中清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80°C下真空干燥過夜，得到活性炭材料； (g)電極性能測試將步驟(f)中的活性炭材料組裝成雙電極超級電容器。
2.根據權利要求1中所述的一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，步驟(a)中炭化溫度為1050°C。
3.根據權利要求1中所述的一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，所述的步驟(c)中的活化劑可以采用的堿性物質為K0H、Na0H、K2C03。
4.根據權利要求3所述的一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，所述的活化劑為KOH，K0H與炭材料的質量比為1?5。
5.根據權利要求1中一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，所述步驟(e)中的活化溫度為700?900 °C。
6.根據權利要求1中一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，所述的步驟(a)、(d)中的惰性氣體為氦氣、氬氣和氮氣的一種。
【文檔編號】C01B31/12GK104401991SQ201410567774
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權日:2014年10月23日
【發(fā)明者】袁磊, 王朝陽, 付志兵, 唐永建, 張厚瓊, 趙海波, 楊曦, 鐘銘龍 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心