CN104401991A - 一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法 - Google Patents

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袁磊
王朝阳
付志兵
唐永建
张厚琼
赵海波
杨曦
钟铭龙
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Abstract

本发明提供了一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法。本发明所用原料来源丰富，价格低廉。所得活性炭的孔径、比表面积可通过控制活化剂的用量及活化温度进行有效地调整，并提高其超级电容储能性能。采用本发明制备的高比表面积活性炭可用于超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、储氢、催化等领域。

Description

一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法
技术领域
本发明属于超级电容器炭电极材料的制备领域，具体涉及一种利用小蓬草为原料制备超级电容器用高比表面积活性炭的方法。
背景技术
发展高性能的能源存储装置是应对当今环境恶化和化石能源枯竭的巨大挑战。超级电容器又称极端电容器或电化学电容器，其能量密度是传统电容器的几百倍，功率密度高出电池两个数量级，很好地弥补了电池功率低、大电流充放电性能差和传统电容器能量密度小的缺点。此外，超级电容器具有充放电速率快（几毫秒）、温度适应范围宽、循环寿命长（大于106次）、无污染等优良特性，在很多特定条件下具有独特的应用优势。
超级电容器按储能机理不同，可分为双电层电容器和（electric double layer capacitor, EDLC）和法拉第准电容器（pseudocapacitor）两种。前者主要通过离子在电极/电解液界面转移完成能量存储；后者主要通过快速可逆的氧化还原反应进行能量存储。目前广泛应用于超级电容器的电极材料为炭材料（活性炭、炭气凝胶、炭纳米管、介孔炭和石墨烯），过渡金属氧化物（RuO2、MnO2、Co3O4，NiO）和导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩）。活性炭材料来源丰富，价格低廉，资源可再生等特点，在成本上具有较大的优势而广泛的用作电极材料。
目前活性炭主要以煤炭和石油焦等高含炭的矿物质为原料转化而来，由于化学能源的枯竭和制备过程中对环境造成污染，使用天然生物原料制备炭基电极材料对资源的可再生利用和环境保护至关重要。天然生物材料小蓬草的纤维素和半纤维素含量达到70%以上，是制备炭材料的廉价原料。其炭化后主要是以非晶石墨片堆叠而成，且具有规则的大孔结构，通过碱性活化可以得到分级的多孔炭材料，比表面积达到1400 m2g-1以上，具有较宽范围的孔径分布结构，有利于电解液离子在炭材料孔结构内部的传输，有望成为工业化的超级电容器电极材料。然而，目前为止，没有相关的技术研究，尚没有人开发以天然的小蓬草为原料制备分级多孔的超级电容器用活性炭电极材料。
Abdelhakim Elmouwahidi等[Abdelhakim Elmouwahidi,Zulamita Zapata-Benabithe, et al, Activated carbons from KOH-activation of argan (Argania spinosa) seed shells as supercapacitor electrodes[J]. Bioresource Technology,111:185–190]和Qiang Wang 等[Qiang Wang, Qi Cao,et al, A high-capacity carbon prepared from renewable chicken feather biopolymer for supercapacitors[J]. Journal of Power Sources ,2013 ,225:101-107]分别以摩洛哥坚果壳和鸡毛为原料制备出了具有优良电化学性能的超级电容器炭电极材料。然而，这些原料资源有地域或产量有限，收集困难，且同一批原料之间的结构和化学成分有区别，很难形成具有规范的工业化制备路线，得到的炭材料性能不均一，限制其工业化发展。
发明内容
针对超级电容器炭基材料制备过程中存在的问题，本发明提出了一种利用天然生物材料小蓬草为原料制备具有三维网络结构的超级电容器活性炭材料的方法。
本发明所提出的利用小蓬草为原料制备超级电容器活性炭的方法，依次包括如下步骤：
（a）炭化处理 高温炭化炉中将小蓬草采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理时间15 h；
（b）活性炭材料预处理 将由（a）制备出的活性炭研磨成粉，并过200目分样筛， 
（c）炭材料预活化 将步骤（b）中过筛材料与碱性活化剂以一定质量比混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱内，干燥10 h，；
（d）炭材料活化 将步骤（c）中制取得预活化的炭材料样品，在一定温度下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行； 
（e）清洗 将步骤（d）得到的活化活性炭材料，放入2 M HCl溶液搅拌10h，充分反应后，用90-100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)； 
（f）干燥 将步骤（e）中清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到活性炭材料；
（g）电极性能测试  将步骤（f）中的活性炭材料组装成双电极超级电容器。
步骤（a）中炭化温度为1050℃。
步骤（d）中的活化剂可以采用的碱性物质为KOH、NaOH、K2CO3。
所述的活化剂为KOH时，其与炭材料的质量比为，1～5。
所述步骤（e）中的活化温度为700～900 ℃。
根据权利要求1中一种利用小蓬草制备超级电容器用高比表面积活性炭的方法，其特征在于，所述的步骤（a）、（d）中的惰性气体为氦气、氩气和氮气的一种。
本发明以小蓬草为原料制备具有高电化学性能的超级电容器电极材料，具有如下突出效果和优点：
①本发明选择了以农业分布广泛的外来入侵物种小蓬草为原料，其来源丰富，价格低廉，不仅满足了资源的可持续发展同时对环境起到一定保护作用，有效地降低了电极材料的生产成本。
②本发明的产品经过简单的炭化和工业上已经成熟的活化工艺制备，工艺简单，易于工业化生产。
③本发明通过炭化、活化得到具有三维网络结构的活性炭材料，其比表面积较高，孔径分布较宽，非常适于制备超级电容器电极。且本方法制备的活性炭电极具有较高的比电容和良好的循环稳定性，是一种理想的超级电容器电极材料，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1a为本发明中炭化小蓬草和不同活化温度炭材料场发射扫描电镜照片；
图1b为本发明中700℃活化炭材料场发射扫描图；
图1c为本发明中800℃活化炭材料场发射扫描图；
图1d为本发明中900℃活化炭材料场发射扫描图；
图2为本发明中炭化小蓬草和不同活化温度炭材料吸附曲线；
图3a为本发明中700℃活化炭材料充放电性能曲线；
图3b为本发明中800℃活化炭材料充放电性能曲线；
图3c为本发明中900℃活化炭材料充放电性能曲线；
图3d为本发明中活化炭材料不同倍率充放电性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例进一步说明本发明。
实施例1 
图1b为本发明中700℃活化炭材料场发射扫描图，图中，将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：5混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在700℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为700℃。
实施例2 
图1c为本发明中800℃活化炭材料场发射扫描图，图中，将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：5混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在800℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为800℃。
实施例3 
图1d为本发明中900℃活化炭材料场发射扫描图，图中，将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：5混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在900℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为900℃。
将上述实施例所得的超级电容器用活性炭材料，用场发射扫描电子显微镜进行观察，可以看到活化后炭壁上产生了大量的微孔，同时比表面积和孔径分析仪，进一步验证了其孔结构特征。
实施例4
将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：1混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在900℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为900℃。
实施例5
将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：2混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在900℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为900℃。
实施例6
将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：3混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在900℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为900℃。
实施例7
将2g小蓬草在高温炭化炉中，采用惰性气体保护方法，进行炭化，处理温度为1050℃，处理时间15 h，得到炭材料，将其研磨成粉，并过200目分样筛；取其中1g粉，与KOH以质量比为1：4混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱，于120℃干燥10 h，将制备的预活化的炭材料样品，在900℃下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行。将得到的活化炭材料，放入2 M HCl溶液中搅拌10 h，充分反应后，用90～100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)。将清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到超级电容器活性炭材料，标记为900℃。

Claims (6)

1.一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法，依次包括如下步骤：
（a）炭化处理 高温炭化炉中将小蓬草采用惰性气体保护方法，在700-1050℃进行炭化，处理时间15 h；
（b）炭材料预处理 将由（a）制备出的炭材料研磨成粉，并过200目分样筛； 
（c）炭材料预活化 将碱性活化剂同步骤（b）中过筛材料与以一定质量比为（1～5）混合，溶于去离子水和无水乙醇中，搅拌24 h，放入真空干燥箱内，干燥10 h；
（d）炭材料活化 将步骤（c）中制取得预活化的炭材料样品，在一定温度下进行活化，整个活化及冷却过程在高纯惰性气体保护下进行； 
（e）清洗 将步骤（d）得到的活化活性炭材料，放入2 M HCl溶液搅拌10h，充分反应后，用90-100℃的热水清洗，过滤，直至洗涤至中性(pH≈6～7)； 
（f）干燥 将步骤（e）中清洗后的活性炭材料，放入真空干燥箱中，在80 ℃下真空干燥过夜，得到活性炭材料；
（g）电极性能测试  将步骤（f）中的活性炭材料组装成双电极超级电容器。
2.根据权利要求1中所述的一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，步骤（a）中炭化温度为1050℃。
3.根据权利要求1中所述的一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，所述的步骤（c）中的活化剂可以采用的碱性物质为KOH、NaOH、K2CO3。
4.根据权利要求3所述的一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，所述的活化剂为KOH，KOH与炭材料的质量比为1～5。
5.根据权利要求1中一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，所述步骤（e）中的活化温度为700～900 ℃。
6.根据权利要求1中一种利用小蓬草制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，所述的步骤（a）、（d）中的惰性气体为氦气、氩气和氮气的一种。
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