CN101740231B - 一种超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：直接将金属有机盐在惰性气氛保护下高温碳化，经稀酸处理，去离子水洗涤后得到介孔炭电极材料。本发明能够制备高比表面积和高介孔孔容的炭材料，在超级电容器、吸附和催化等领域有广阔的应用前景。本发明中介孔炭材料的制备方法不同于当今流行的“硬模板法”、“化学或物理活化法”和“自组装法”，具有制备工艺过程简单的特点。

Description

一种超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器电极材料的制备方法，特别涉及金属有机盐为原料直接制备介孔炭电极材料的制备方法。
背景技术
超级电容器具有高的功率密度和能量密度，近年来受到广泛的关注。尽管它的能量密度小于二次电池，但超级电容器具有诸多的优点，如高的充放电效率、长的循环寿命和快速的充放电能力等。目前，各种各样的多孔炭材料被广泛地制备并用于超级电容器的电极材料。研究表明具有高比表面积的介孔炭作为电极材料在提供更高的功率密度方面比微孔炭更有优势。
对具有好的结构特征的介孔炭制备方法的探索已经越来越深入，当前制备介孔炭的方法主要有两大类：硬模板法和自组装法。硬模板法是通过将炭源填充到无机模板的孔隙中，然后经过碳化、去模板得到具有高比表面积和集中介径分布的炭材料。这种硬模板法制备的介孔炭适合大电流充放电，然而硬模板法的缺点也很明显：一是制备无机模板需要较长的制备周期，二是去模板过程需要使用氢氟酸或强碱，这无疑会造成资源浪费和环境污染。自组装法制备介孔炭克服了硬模板法的不足，其方法是以有机表面活性剂F127或P123为软模板，以酚类和甲醛为原料，在碱性或酸性溶液中酚类和甲醛在氢键的作用下在F127或P123的胶束周围发生聚合反应，形成酚醛树脂，然后在炭化的过程中，软模板分解，直接形成介孔炭，从而省去了硬膜板的制备过程，缩短了制备周期，降低了生产成本。然而需要指出的是，自组装法制备的介孔炭比表面积较小，将其直接用作超级电容器的电极材料显然是没有优势的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其制备方法不同于硬模板法和自组装法，具有制备工艺简单、产品性能优异的特点。本发明一种超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：金属有机盐在惰性气氛保护下高温碳化得到的产物，经稀酸、去离子水洗涤后得到介孔炭材料，所述高温炭化温度为600℃-1000℃，并在该温度下保持30-360min。
其中优选的技术方案为：
所用金属有机盐为醋酸盐、柠檬酸盐、苯甲酸盐、脂肪酸盐、苯磺酸盐及乙二胺四乙酸盐中的一种。
所用的惰性气氛为氮气、氦气及氩气中的一种，惰性气体流量为40-120mL/min。
金属有机盐置于管式炉中，以1-10℃/min的速率升温至炭化温度。
所用稀酸为稀盐酸和稀硫酸中的一种，浓度为0.5mol/L。
金属有机盐中涉及的金属为钠、镁、铝、钾、钙、钡、锂、锰及镍中的一种。
将炭化产物置于稀酸溶液中洗涤两次，然后再用大量去离子水冲洗至中性，用真空烘箱干燥后得到最终产物介孔炭材料。
本发明的有益效果是：该方法具有生产周期短、生产工艺简单、成本低的特点。制得的材料用作超级电容器电极材料具有良好的电化学电容性能。在超级电容器、吸附和催化等领域有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1：
将柠檬酸钡置于管式炉中，通氮气保护(流量为80mL/min)，以5℃/min的速率升温至800℃，并在800℃下停留60min。再经0.5mol/L稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到介孔炭，比表面积达1346m2/g，介孔孔容高达4.2cm3/g，平均孔径为12.2nm。以聚四氟乙烯乳液(5％wt)为粘结剂，电极材料的配比(重量比)为：介孔炭∶粘接剂＝95∶5。将电极材料均匀涂在泡沫镍上，在300kg/cm2的压力下压制成工作电极，之后放在真空干燥箱中100℃干燥12小时。电化学测试采用双电极测试体系，电解质溶液为30wt％KOH水溶液。在0V至-0.9V的电压范围内，恒电流为5mA时的比电容为180F/g。
实施例2：
将柠檬酸镁置于管式炉中，通氮气保护(流量为70mL/min)，以5℃/min的速率升温至700℃，并在700℃下停留120min。再经0.5mol/L稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到介孔炭，比表面积高达2322m2/g，介孔孔容达1.4cm3/g，平均孔径为2.4nm。以聚四氟乙烯乳液(5％wt)为粘结剂。电极材料的配比(重量比)为：介孔炭∶粘接剂＝95∶5。将电极材料均匀涂在泡沫镍上，在300kg/cm2的压力下压制成工作电极，之后放在真空干燥箱中100℃干燥12小时。电化学测试采用双电极测试体系，电解质溶液为30wt％KOH水溶液。在0V至-0.9V的电压范围内，恒电流为5mA时的比电容为183F/g。
实施例3：
将乙二胺四乙酸钙置于管式炉中，通氩气保护(流量为90mL/min)，以3℃/min的速率升温至900℃，并在900℃下停留90min。再经0.5mol/L稀硝酸、去离子水洗涤，干燥后得到介孔炭，比表面积达979m2/g，介孔孔容高达2.3cm3/g，平均孔径为8.3nm。以聚四氟乙烯乳液(5％wt)为粘结剂。电极材料的配比(重量比)为：介孔炭∶粘接剂＝95∶5。将电极材料均匀涂在泡沫镍上，在300kg/cm2的压力下压制成工作电极，之后放在真空干燥箱中100℃干燥12小时。电化学测试采用双电极测试体系，电解质溶液为30wt％KOH水溶液。在0V至-0.9V的电压范围内，恒电流为5mA时的比电容为175F/g。
实施例4：
将苯甲酸镁置于管式炉中，通氩气保护(流量为60mL/min)，以5℃/min的速率升温至900℃，并在900℃下停留60min。再经0.5mol/L稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到介孔炭，比表面积达1114m2/g，介孔孔容高达1.2cm3/g，平均孔径为7.7nm。以聚四氟乙烯乳液(5％wt)为粘结剂。电极材料的配比(重量比)为：介孔炭∶粘接剂＝95∶5。将电极材料均匀涂在泡沫镍上，在300kg/cm2的压力下压制成工作电极，之后放在真空干燥箱中100℃干燥12小时。电化学测试采用双电极测试体系，电解质溶液为30wt％KOH水溶液。在0V至-0.9V的电压范围内，恒电流为5mA时的比电容为156F/g。
实施例5：
将柠檬酸钙置于管式炉中，通氮气保护(流量为75mL/min)，以8℃/min的速率升温至900℃，并在900℃下停留150min。再经0.5mol/L稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到介孔炭，比表面积达1747m2/g，介孔孔容高达3.4cm3/g，平均孔径为7.1nm。以聚四氟乙烯乳液(5％wt)为粘结剂。电极材料的配比(重量比)为：介孔炭∶粘接剂＝95∶5。将电极材料均匀涂在泡沫镍上，在300kg/cm2的压力下压制成工作电极，之后放在真空干燥箱中100℃干燥12小时。电化学测试采用双电极测试体系，电解质溶液为30wt％KOH水溶液。在0V至-0.9V的电压范围内，恒电流为5mA时的比电容为188F/g。
实施例6：
将乙二胺四乙酸钙置于管式炉中，通氩气保护(流量为80mL/min)，以5℃/min的速率升温至800℃，并在800℃下停留120min。再经0.5mol/L稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到介孔炭，比表面积达863m2/g，介孔孔容高达2.5cm3/g，平均孔径为13.9nm。以聚四氟乙烯乳液(5％wt)为粘结剂。电极材料的配比(重量比)为：介孔炭∶粘接剂＝95∶5。将电极材料均匀涂在泡沫镍上，在300kg/cm2的压力下压制成工作电极，之后放在真空干燥箱中100℃干燥12小时。电化学测试采用双电极测试体系，电解质溶液为30wt％KOH水溶液。在0V至-0.9V的电压范围内，恒电流为5mA时的比电容为179F/g。

Claims (5)

1.一种超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：金属有机盐在惰性气氛保护下高温碳化得到的产物，经稀酸、去离子水洗涤后得到介孔炭材料，所述高温炭化温度为600℃-1000℃，并在该温度下保持30-360min，所用金属有机盐为醋酸盐、柠檬酸盐、苯甲酸盐、脂肪酸盐、苯磺酸盐及乙二胺四乙酸盐中的一种，所用稀酸为稀盐酸和稀硝酸中的一种。
2.按照权利要求1所述的超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：所用的惰性气氛为氮气、氦气及氩气中的一种，惰性气体流量为40-120mL/min。
3.按照权利要求1所述的超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：金属有机盐置于管式炉中，以1-10℃/min的速率升温至炭化温度。
4.按照权利要求1所述的超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：金属有机盐中涉及的金属为钠、镁、铝、钾、钙、钡、锂、锰及镍中的一种。
5.按照权利要求1所述的超级电容器用介孔炭电极材料的制备方法，其特征在于：将炭化产物置于稀酸溶液中洗涤两次，然后再用大量去离子水冲洗至中性，用真空烘箱干燥后得到最终产物介孔炭材料。
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