本發(fā)明涉及片狀活性炭材料的技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種片狀活性炭材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

活性炭(activatedcarbon，ac)，是一種多孔碳材料，因其具有較大的比表面積(500～3000m²/g)，且原料來(lái)源廣，機(jī)械強(qiáng)度高，安全易再生，穩(wěn)定性較好，廣泛應(yīng)用于載體、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域，是一種優(yōu)良的電極材料和吸附材料。

活性炭的生產(chǎn)包括活化和炭化兩個(gè)過(guò)程，目前通過(guò)傳統(tǒng)方法制備的活性炭為微球或者顆粒狀。公開(kāi)號(hào)為cn103769047a的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種片狀活性炭和顆粒狀活性碳粘結(jié)而成的成型活性炭，提高了成型活性炭的均勻度與吸附能力，但得到的成型活性炭也是不是片狀的。純片狀活性炭材料還未有報(bào)道。所以開(kāi)發(fā)這一新型的活性炭材料將有很多新的應(yīng)用空間。近年來(lái)，活性炭材料因其來(lái)源豐富、成本低廉、有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積及具有良好的充放電穩(wěn)定性，已經(jīng)作為電容器的首選。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種片狀活性炭材料，該片狀活性炭材料的微觀形貌為片狀，粒徑大小可調(diào)控，粒徑橫向尺寸可調(diào)控范圍為0.1-50微米，粒徑厚度可調(diào)控范圍為0.05-2微米。

本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種片狀活性炭材料的制備方法，該制備方法簡(jiǎn)單易得，制備時(shí)間短、成本低且使用的原料片狀纖維素的獲得方法簡(jiǎn)單。

本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種片狀活性炭材料的應(yīng)用，將片狀的活性炭材料用作電極材料，使得得到的雙電層電容器(超級(jí)電容器)具有優(yōu)異的電學(xué)性能。

為達(dá)到上述第一個(gè)目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種片狀活性炭材料，所述片狀活性炭材料的粒徑橫向尺寸為0.1-50微 米，粒徑厚度為0.05-2微米。

進(jìn)一步地，所述片狀活性炭材料的粒徑橫向尺寸為0.1-10微米。

為達(dá)到上述第二個(gè)目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種片狀活性炭材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

將片狀纖維素與活化劑水溶液按固體質(zhì)量比1：1-1：5混合均勻，干燥后，在n2氣氛下，在650-900℃的溫度下反應(yīng)0.5-4h；將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻，用5wt％-15wt％的hcl酸洗，浸漬處理10-20min，再用去離子水洗滌至中性，過(guò)濾，干燥，得到片狀活性炭材料。

優(yōu)選地，所述片狀纖維素可選自天然纖維素或再生纖維素；

進(jìn)一步地，所述天然纖維素選自天然草本植物或天然木本植物；所述再生纖維素選自粘膠纖維、銅氨纖維、天絲或堿尿素溶液纖維中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述活化劑選自氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鉀、磷酸或氯化鋅中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)是在管式爐或電阻爐中進(jìn)行。

參照公開(kāi)號(hào)為cn104974357a的發(fā)明專利的制備方法，本發(fā)明的片狀活性炭材料的制備方法中，選用的片狀纖維素的制備方法為：

1)將纖維素材料和固態(tài)高分子研磨材料混合研磨；經(jīng)研磨，纖維素微觀形貌呈片狀，得到片狀纖維素材料；

2)將步驟1)得到的片狀纖維素材料與固態(tài)高分子研磨材料分離，得到片狀纖維素。

其中：

步驟1)所述的混合為固態(tài)高分子研磨材料與纖維素原料按一定重量比混合，所述研磨在球磨機(jī)或研磨儀中進(jìn)行，所述研磨速度為200-500rpm，研磨時(shí)間為2-30h。

步驟1)所述固態(tài)高分子研磨材料選自聚烯烴及其衍生物、共聚物，優(yōu)選地，所述固態(tài)高分子研磨材料選自聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、聚丙烯腈、聚甲醛、環(huán)氧樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚碳酸酯(pc)、聚ε-己內(nèi)酯(pcl)、聚乳酸(pla)、聚酰胺、尼龍1010、聚砜、酚醛塑料、硅橡膠和氟代烷基硅烷(fas)中的一種或多種。

步驟1)中所述的纖維素材料選自天然纖維素或再生纖維素，所述天然纖維素選自天然草本植物或天然木本植物，所述再生纖維素選自粘膠纖維、銅氨纖 維、天絲和堿尿素溶液纖維中的一種或幾種。

步驟2)所述將片狀纖維素材料與固態(tài)高分子研磨材料分離指用篩網(wǎng)將研磨后的纖維素和固態(tài)高分子研磨材料分離，并使所述的片狀纖維素的粒徑為0.1-50微米。

為達(dá)到上述第三個(gè)目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

本發(fā)明還保護(hù)片狀活性炭材料在雙電層電容器電極材料中的應(yīng)用。

進(jìn)一步地，當(dāng)電流密度為1a/g時(shí)，所述雙電層電容器的質(zhì)量比容量可達(dá)為220-310f/g。

本發(fā)明中片狀活性炭材料在雙電層電容器電極材料中的應(yīng)用方法為：

將片狀活性炭材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑按照比例超聲分散均勻，再均勻的涂覆在泡沫鎳上，烘干后壓片得到雙電層電容器片狀活性炭電極片。

其中，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑的種類和形態(tài)、混合比例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)掌握。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明首次提出了片狀的活性炭材料，并提供了該片狀活性炭材料的制備方法，通過(guò)將片狀纖維素活化和一步高溫碳化，得到了片狀活性炭材料，該制備方法簡(jiǎn)單易實(shí)施，且成本低。同時(shí)，該片狀活性炭材料的粒徑尺寸可控，將其應(yīng)用在雙電層電容器中作為電極材料，當(dāng)電流密度為1a/g時(shí)，雙電層電容器的質(zhì)量比容量達(dá)到220-310f/g，且片狀活性炭是一種新的形貌的活性炭材料，存在很多潛在的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1示出實(shí)施例1的片狀活性炭材料的sem圖。

圖2示出實(shí)施例2的片狀活性炭材料的sem圖。

圖3示出實(shí)施例3的片狀活性炭材料的sem圖。

圖4示出實(shí)施例9對(duì)應(yīng)的充放電曲線。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制 本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

將橫向尺寸為10-20微米左右的片狀纖維素與koh水溶液按照固體質(zhì)量比1:1混合均勻，干燥后置于馬弗爐中活化，n2氣氛下活化溫度為700℃，活化時(shí)間為0.5h；將制備的片狀活性炭粗品用10wt％的hcl進(jìn)行酸洗，浸漬處理10-20min；最后用去離子水洗滌至ph值為中性為止，過(guò)濾，干燥，即得到片狀活性炭材料。圖1為實(shí)施例1的片狀活性炭材料的sem圖，可以看到顆粒為片狀，橫向尺寸為1-10微米。afm測(cè)試表明片狀活性炭材料的厚度為0.1-1微米。

實(shí)施例2

將橫向尺寸為50-100微米左右片狀纖維素與koh水溶液按照固體質(zhì)量比1:1混合均勻，干燥后置于馬弗爐中活化，n2氣氛下活化溫度為700℃，活化時(shí)間為0.5h；將制備的片狀活性炭粗品用10wt％的hcl進(jìn)行酸洗，浸漬處理10-20min；最后用去離子水洗滌至ph值為中性為止。圖2為實(shí)施例2的片狀活性炭材料的sem圖，可以看到顆粒為片狀，橫向尺寸為30-50微米。afm測(cè)試表明片狀活性炭材料的厚度為0.5-2微米。

實(shí)施例3

將橫向尺寸為1-5微米左右片狀纖維素與koh水溶液按照固體質(zhì)量比1：1混合均勻，干燥后置于馬弗爐中活化，n2氣氛下活化溫度為700℃，活化時(shí)間為0.5h；將制備的片狀活性炭粗品用10wt％的hcl進(jìn)行酸洗，浸漬處理10-20min；最后用去離子水洗滌至ph值為中性為止。圖3為實(shí)施例3的片狀活性炭材料的sem圖，可以看到顆粒為片狀，橫向尺寸為0.1-3微米。afm測(cè)試表明片狀活性炭材料的厚度為0.05-0.5微米。

實(shí)施例4

將橫向尺寸為10-20微米左右的片狀纖維素與koh水溶液按照固體質(zhì)量比1:2.5混合均勻，按照實(shí)施例1的方法也制備得到了片狀活性炭材料，所得片狀活性炭材料的橫向尺寸為1-5微米，厚度為0.1-1微米。

實(shí)施例5

將橫向尺寸為10-20微米左右的片狀纖維素與koh水溶液按照固體質(zhì)量比1:5混合均勻，按照實(shí)施例1的方法也制備得到了片狀活性炭材料。

實(shí)施例6

重復(fù)實(shí)施例1，區(qū)別在于，將活化溫度從700℃分別改為650℃、900℃， 其余條件不變，制備得到片狀活性炭材料，形態(tài)、尺寸與實(shí)施例1中所得片狀活性炭材料相近。

實(shí)施例7

重復(fù)實(shí)施例1，區(qū)別在于，將koh分別改為氫氧化鈉、碳酸鉀、磷酸、氯化鋅，其余條件不變，制備得到片狀活性炭材料，形態(tài)、尺寸與實(shí)施例1中所得片狀活性炭材料相近。

實(shí)施例8

將實(shí)施例1得到的片狀活性炭材料，與乙炔黑，粘結(jié)劑按照質(zhì)量比8:1:1超聲混合均勻，均勻的涂覆在集流體泡沫鎳上，在60～120℃下烘干，用粉末壓片機(jī)在10mpa下保壓30s，得到超級(jí)電容器片狀活性炭電極片，并進(jìn)而制成扣式超級(jí)電容器考察其電化學(xué)性能。當(dāng)電流密度為1a/g時(shí)，其質(zhì)量比容量最大可達(dá)250f/g。

實(shí)施例9

將實(shí)施例3得到的片狀活性炭材料，與乙炔黑，粘結(jié)劑按照質(zhì)量比8:1:1超聲混合均勻，均勻的涂覆在集流體泡沫鎳上，在60～120℃下烘干，用粉末壓片機(jī)在10mpa下保壓30s，得到超級(jí)電容器片狀活性炭電極片，并進(jìn)而制成扣式超級(jí)電容器考察其電化學(xué)性能。圖4為對(duì)應(yīng)充放電曲線，可見(jiàn)當(dāng)電流密度為1a/g時(shí)，其質(zhì)量比容量最大可達(dá)310f/g。

實(shí)施例10

將實(shí)施例4得到的片狀活性炭材料，與乙炔黑，粘結(jié)劑按照質(zhì)量比8:1:1超聲混合均勻，均勻的涂覆在集流體泡沫鎳上，在60～120℃下烘干，用粉末壓片機(jī)在10mpa下保壓30s，得到超級(jí)電容器片狀活性炭電極片，并進(jìn)而制成扣式超級(jí)電容器考察其電化學(xué)性能。當(dāng)電流密度為1a/g時(shí)，其質(zhì)量比容量最大可達(dá)260f/g。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。