CN105923634A - 超级电容器用椰壳纤维基活性炭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，包括将预处理后的椰壳纤维粉碎，以2‑5℃/min的速率升温至700‑750℃，保温1‑1.5h得到碳化产物；将所得碳化产物研磨，过筛，碳化产物与KOH按照质量比为1:2～1:5混合均匀；以3‑5℃/min的速率升温至800‑850℃，保温1‑1.5h得到活化产物；将得到的活化产物进行水洗、酸洗、再水洗至pH为6‑7，干燥后制备出活性炭。采用本发明所提供的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料的制备方法，以椰壳纤维为原料，无需多次活化，工艺简单且成本低；所制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料具有高比表面积和高比容量。
Description
技术领域
本发明涉及多孔炭材料技术，尤其涉及一种适用于超级电容器的椰壳纤维基活性炭及其制备方法。
背景技术
超级电容器由于具有高功率、高能量、长循环寿命及安全可靠等特点，不仅应用于大功率充放电领域，还应用在电子产品、内存备份系统、移动设备及制动过程中产生的能量回收系统等，尤其是能在城市公交和垃圾运输车的动力传动系统中提供辅助能量，从而减少频繁制动-启动对车辆里程造成的限制。在未来的电动汽车等交通工具的能源存储系统方面，超级电容器与电池混合动力系统才能够满足汽车启动、爬坡、加速等高功率输出场合的需要，因此制备具有更高功率、高能量密度的电极材料显得尤为重要。
超级电容器通常采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成双电层。超级电容器的电容性能主要依赖于电极的比表面积、孔结构、孔容和导电性等因素。传统生物质(煤或石油等衍生物)制备高比表面(>2000m2·g-1)的活性炭已应用在商业化的双电层超电容器中。但是这种活性炭材料大多以微孔为主，高倍率充放电性能还有待提高。同时已有相关报道椰壳用于制备活性炭材料。但对于来源更为丰富的椰壳纤维，主要成分为纤维素、半纤维素、木质素和少量果胶，从理论上来讲椰壳纤维可用于制备活性炭的原料。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超级电容器用椰壳纤维基活性炭，解决了现有的超级电容器用活性炭电极材料不能同时具有高比表面积和高比容量的问题。
本发明采用的技术手段如下：超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，包括以下步骤：(1)将预处理后的椰壳纤维粉碎，在惰性气体保护下以2-5℃/min的升温速率升温至700-750℃，在700-750℃的条件下保温1-1.5h得到碳化产物；(2)将步骤(1)所得碳化产物研磨，过筛，碳化产物与KOH按照质量比为1:2～1:5混合均匀；在惰性气体保护下，以3-5℃/min的升温速率升温至800-850℃，在800-850℃的条件下保温1-1.5h得到活化产物；(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、酸洗、再水洗至pH为6-7，干燥后制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
优选地，将预处理后的椰壳纤维粉碎，在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至700℃，在700℃的条件下保温1h得到碳化产物；(2)将步骤(1)所得碳化产物研磨，过筛，碳化产物与KOH按照质量比为1:4混合均匀，在惰性气体保护下，以3℃/min的升温速率升温至850℃，在850℃的条件下保温1h得到活化产物；(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、酸洗、再水洗至pH为6-7，干燥后制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
优选地，步骤(1)中预处理为：将椰壳纤维置于NaOH溶液中浸泡，后水洗涤至中性，烘干。
优选地，步骤(2)的过筛目数为100目。
优选地，步骤(3)中的酸洗选用浓度为2％的盐酸。
另一方面，还提供了超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法制备而得超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
优选地，活性炭平均孔径为2.2nm。
采用本发明所提供的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料的制备方法，以椰壳纤维为原料，一方面；对椰壳纤维进行预处理，除掉果胶及杂质；另一方面，将碳化和活化工艺参数优化，无需多次活化，工艺简单且成本低。所制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料的比表面积高达2898m2·g-1，比容量为266.32F g-1，原料来源丰富，适合商业化推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的吸脱附等温曲线和孔径分布图；
图2为本发明实施例3制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭制作成超级电容器在200mV/s扫速下的循环伏安图和1A/g电流密度下的充放电曲线图；
图3为本发明实施例3制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的扫描电镜图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明选用的椰壳纤维介于椰子外皮和椰壳之间，含有纤维素36％-43％，木质素28％-36％，半纤维素31％-36％，果胶3％-4％以及其他杂糖、矿物质类等，由于纤维本身富含管状通道，为电解液中的离子扩散提供了通道，可以在快速充放电时发挥重要作用。但在炭化活化过程中，在不破坏管状通道且控制微孔和中孔比例是个难题，小于0.5nm的孔通常被认为孔径太小而难以形成双电层,理想的微孔材料尺寸应略大于去溶剂化离子从而离子可以顺利通过微孔。但是仅有微孔的碳材料会增加等效电阻从而降低功率密度。在相对较大的孔中改进离子传质能力,丰富的大孔和中孔相结合材料可能会表现出较高的倍率性能。但是,这种材料由于比表面较低和活性位少导致双电层电容器能量密度减小。因此，本发明岂在制备出一种超级电容器用椰壳纤维基活性炭，具有高比表面积和高比容量。
实施例1：超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法包括以下步骤：
(1)首先将椰壳纤维置于质量分数为1％的NaOH溶液中浸泡48小时，用蒸馏水洗涤至中性，放置烘箱中调制110℃烘干。干燥后粉碎,取10g置于封闭式炉腔内，在惰性气体N2保护气氛下，以3℃/min的速率升温至700℃,在700℃的条件下保温1.5h得到碳化产物；
(2)将步骤(1)所得碳化产物2g与4g KOH活化剂研磨混合均匀；后所得到的混合物在惰性保护气氛下(N2),升温速率为3℃/min升温至800℃,在850℃的条件下保温1h得到活化产物；
(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、2％稀盐酸洗涤、再水洗至pH为6-7；干燥，制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
实施例2：超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法包括以下步骤：
(1)首先将椰壳纤维置于质量分数为2％的NaOH溶液中浸泡48小时，用蒸馏水洗涤至中性，放置烘箱中调制110℃烘干，干燥后粉碎,取10g置于封闭式炉腔内，在惰性气体保护气氛下，以3℃/min的速率升温至700℃,在700℃的条件下保温1.5h得到碳化产物；
(2)将步骤(1)所得碳化产物2g与6gKOH活化剂研磨混合均匀；后所得到的混合物在惰性N2保护气氛下,升温速率为3℃/min升温至850℃,在850℃的条件下保温1h得到活化产物；
(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、2％稀盐酸洗涤、再水洗至pH为6-7；干燥，制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
实施例3：超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法包括以下步骤：
(1)首先将椰壳纤维置于质量分数为3％的NaOH溶液中浸泡48小时，用蒸馏水洗涤至中性，放置烘箱中调制110℃烘干，干燥后粉碎,取10g置于封闭式炉腔内，在惰性气体N2保护气氛下，以3℃/min的速率升温至700℃,在700℃的条件下保温1h得到碳化产物；
(2)将步骤(1)所得碳化产物2g与8gKOH活化剂研磨混合均匀；后所得到的混合物在惰性保护气氛下(N2)，升温速率为3℃/min升温至850℃,在850℃的条件下保温1h得到活化产物；
(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、2％稀盐酸除杂、再水洗至pH为6-7；干燥，制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
实施例4：超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法包括以下步骤：
超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法包括以下步骤：
(1)首先将椰壳纤维置于质量分数为4％的NaOH溶液中浸泡48小时，用蒸馏水洗涤至中性，放置烘箱中调制110℃烘干，干燥后粉碎,取10g置于封闭式炉腔内，在惰性气体保护气氛下，以3℃/min的速率升温至700℃,在700℃的条件下保温1h得到碳化产物；
(2)将步骤(1)所得碳化产物2g与10g KOH活化剂固体研磨混合均匀；后所得到的混合物在N2保护气氛下,升温速率为3℃/min升温至850℃,在850℃的条件下保温1h得到活化产物；
(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、2％稀盐酸洗涤、再水洗至pH为6-7；干燥，制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
对比例：取未经过预处理的椰壳纤维作为原料，采用实施例三的步骤进行实验，制备出的超级电容器用椰壳纤维基活性炭性能远不如实施例三的活性炭。
本发明采用本发明方法制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料进行各项性能测试：其中实施例2的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的扫描电镜图如图1；比表面积和孔径分布如图2；电容性能如图3，实施例1-4的实验测试结果如表1。从实验结果来看，实施例三的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料的比表面积高达2898m2·g-1，比容量为266.32。
表1
综上所述，采用本发明所提供的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料的制备方法，以椰壳纤维为原料，一方面；对椰壳纤维进行预处理，除掉果胶及杂质；另一方面，将碳化和活化工艺参数优化，无需多次活化，工艺简单且成本低。所制备的超级电容器用椰壳纤维基活性炭材料的比表面积高达2898m2·g-1，比容量为266.32F g-1，原料来源丰富，适合商业化推广应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (7)
1.超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将预处理后的椰壳纤维粉碎，在惰性气体保护下以2-5℃/min的升温速率升温至700-750℃，在700-750℃的条件下保温1-1.5h得到碳化产物；
(2)将步骤(1)所得碳化产物研磨，过筛，碳化产物与KOH按照质量比为1:2～1:5混合均匀；在惰性气体保护下，以3-5℃/min的升温速率升温至800-850℃，在800-850℃的条件下保温1-1.5h得到活化产物；
(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、酸洗、再水洗至pH为6-7，干燥后制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
2.根据权利要求1所述的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将预处理后的椰壳纤维粉碎，在惰性气体保护下以3℃/min的升温速率升温至700℃，在700℃的条件下保温1h得到碳化产物；
(2)将步骤(1)所得碳化产物研磨，过筛，碳化产物与KOH按照质量比为1:4混合均匀，在惰性气体保护下，以3℃/min的升温速率升温至850℃，在850℃的条件下保温1h得到活化产物；
(3)将步骤(2)得到的活化产物进行水洗、酸洗、再水洗至pH为6-7，干燥后制备出超级电容器用椰壳纤维基活性炭。
3.根据权利要求1或2所述的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中预处理为：将椰壳纤维置于NaOH溶液中浸泡，后水洗涤至中性，烘干。
4.根据权利要求3所述的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的过筛目数为100目。
5.根据权利要求4所述的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的酸洗选用浓度为2％的盐酸。
6.超级电容器用椰壳纤维基活性炭，其特征在于：根据权利要求1或2所述的超级电容器用椰壳纤维基活性炭的制备方法制备而得。
7.根据权利要求6所述的超级电容器用椰壳纤维基活性炭，其特征在于：所述活性炭平均孔径为2.2nm。
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