CN105140051A - 一种氮、硫共负载活性炭电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硫、氮共负载活性炭电极的制备方法，是利用废弃纤维板通过炭化和活化制得富氮活性炭，再经过负载硫元素从而制得超级电容器的电极材料。废弃纤维板中含有脲醛树脂，富含氮元素，本发明充分利用了氮、硫两种杂原子官能团的结合，制备氮硫共负载活性炭电极材料，不仅改善了电极材料在电解液中的浸润性，而且通过引入硫元素进一步增大赝电容，进而有效增大活性炭电极材料的比电容，使其作为超级电容器电极材料具有更优异的电化学性能。

Description

一种氮、硫共负载活性炭电极的制备方法

技术领域：本发明涉及一种氮、硫共负载活性炭电极的制备方法，是利用废弃纤维板通过炭化和活化两步制得含氮活性炭，再经过负载硫元素从而制得超级电容器的电极材料，属于林产生物质资源化学加工的技术领域。废弃纤维板中含有脲醛树脂，这种胶黏剂富含氮元素，本发明充分利用了两种杂原子官能团结合的优势，制备氮、硫共负载活性炭电极材料，改善了电极材料在电解液中的浸润性，引进硫元素进一步增大了赝电容，进而增大了活性炭电极材料的比电容，使其作为超级电容器电极材料具有更优异的电化学性能.

技术背景：双电层电容器是一种新型储能装置，具有功率密度高，比电容大，漏电流小，电压记忆性能好，充放电过程简单以及循环寿命长等优点，因而广泛应用于存储器的后备电源、电动汽车和太阳能等清洁能源系统。然而，双电层电容器的功率性能和电容量较之于充电电池仍然有不小差距，因此它们在大电容量方面的应用仍然存在问题。与此同时，活性炭材料比电容高，循环寿命长，且资源丰富、结构多样、成本适中，电化学性能稳定，是超级电容器领域最为活跃的研究方向，也是目前已实现商业化的双电层电容器电极材料。因此，改善活性炭电极的电化学性能是进一步发展双电层电容器的重要途径。

超级电容器分为双电层电容和法拉第电容，双电层电容器利用双电层来存储能量，即电子或离子在电极/溶液界面电荷的定向排列形成电荷对峙，从而产生双电层电容。而法拉第电容是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容，在电极的比表面积相同的情况下，由于法拉第赝电容器的电容在电极中是由无数微等效电容电路的网络形式形成的，其电容量直接与电极中的法拉第电量有关，所以法拉第赝电容器的比电容一般是双电层电容器的数十倍。

目前，金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物和表面杂原子官能团等活性物质可以提供法拉第电容，在活性炭表面引入杂原子是增强双电层电容器电容量常用的方法，杂原子的引入能够增强活性炭表面的极性，改善活性炭对水相电解质溶液的吸引力，此外，在炭材料中引入氮、硫等官能团，利用此类官能团在充放电过程中发生的氧化还原反应可以引入额外的赝电容，进一步提高碳材料的充放电性能。然而，单一杂原子官能团负载碳材料已不能满足当前高电容量电子设备的需求，而两种不同的杂原子官能团共同作用于活性炭电极发生法拉第反应，能够激发更大的赝电容，因此不同杂原子官能团共同负载于活性炭来制备电极材料的研究已成为趋势。

发明内容：本发明的目的，是为了在单一杂原子负载的基础上进一步提高活性炭电极材料的电容量，提供了一种由含氮活性炭经硫改性得到氮、硫共负载活性炭电极的制备方法。本发明的基本内容包括以下几个方面：

1.以废弃纤维板为原料，在炭化炉中炭化(升温速率10℃/min，终温500℃，保温1小时)，冷却后取出炭化物，粉碎，过35-65目筛；

2.将固体KOH粉末与烘干后的碳化物按照3∶1的比例混合于氧化铝舟中，置于管式炉中活化，在氮气保护下升温至800℃活化1小时，制得含氮活性炭粗样；

3.含氮活性炭粗样用0.1mol/L的盐酸煮沸0.5小时，再用蒸馏水洗至中性，在烘箱中烘干，得到含氮活性炭；

4.含氮活性炭进行补充研磨，然后将硫磺粉与含氮活性炭按照1∶10的比例混合于氧化铝舟中，置于管式炉中进行硫的负载，在氮气保护下升温至400℃，保温两小时，待冷却后取出，得到氮、硫共负载活性炭(性能表征为：氮含量：1.38％，硫含量：1.70％，比表面积：1750m²/g；孔容：1.05cm³/g，微孔容积：0.84cm³/g)；

5.氮、硫共负载活性炭经玛瑙研钵磨细至粒径小于30μm的粉末，将所得活性炭与乙炔黑、PTFE(60％乳液)按质量比87∶10∶3混合，加入适量无水乙醇，在超声波中混合，于烘箱中烘至半乳状，压制成直径为1cm的圆片，并在手动油压机上将其压覆于等大的集流体泡沫镍上，然后制成电极并真空烘干待用。以碱性电池尼龙膜作隔膜，以7mol/L的KOH溶液作电解液，将质量相近的两片电极组装成双电层模拟电容器，使用CHI660a电化学工作站作循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗及开路电压保持等电化学性能测试，发现所制备的活性炭电极显示出良好的电化学性能。(电化学测试结果：比电容量：263F/g；充放电效率96.8％；5A下的比电容的保持率：85.7％，具体为222F/g，高于负载硫元素之前的活性炭电极电容器的241F/g。)

Claims (6)

1.一种氮、硫共负载活性炭电极的制备方法，其特征在于：利用废弃纤维板中的脲醛树脂作为氮源制得含氮活性炭电极，然后经过硫改性，得到氮、硫共负载活性炭，然后组装双电层电容器。

2.如权利要求1所述的氮、硫共负载活性炭电极的制备方法，其特征在于：将干燥的氮、硫共负载活性炭粉末、乙炔黑和60％的PTFE乳液按质量比87∶10∶3充分混合，在数显型电热板上压平，在手动油压机上以10MPa压力压覆于等大的集流体泡沫镍上，制成活性炭电极并烘干待用。

3.如权利要求1所述的氮、硫共负载活性炭电极的制备方法，其特征在于：充分利用废弃纤维板中的胶黏剂含氮的优点，可直接制备含氮活性炭，成本低，又能达到废物利用的目的.

4.如权利要求1所述的氮、硫共负载活性炭电极的制备方法，其特征还包括每3克所得富氮活性炭用0.3g的硫磺粉末改性，改性过程在管式炉中进行，并进行氮气保护。

5.如权利要求4所述，其特征在于：所用硫磺粉末为纯度大于99％的升华硫粉末，改性之前用玛瑙研钵将升华硫粉末与富氮活性炭粉末的混合物进行补充研磨，改性所用容器为氧化铝舟。

6.如权利要求4所述，其特征在于：改性温度为400℃，保温时间为两小时，升温速率5℃/min，通氮气速率10ml/min。