CN106683899A - 超级电容器电极材料用生物质碳的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

超级电容器电极材料用生物质碳的制备方法及其应用，本发明属于超级电容器电极材料的制备技术领域。本发明以具有大孔结构的广玉兰树叶为原料，制成的生物质活性碳粉末具有多孔活性碳的特性，比表面积≥1500m2·g‑1，孔容≥0.9 cm3·g‑1，适用于超级电容器的电极材料，有利于电解液与活性物质的充分接触，加上活性碳骨架能作为整体连通的导电网络，使电极内阻降低，降低极化，提高超级电容器电极材料的性能。

Description

超级电容器电极材料用生物质碳的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料的制备技术领域。
背景技术
超级电容器电极材料需要具有大的比表面积，这是因为无论是双电层电容器还是法拉第电容器，其存储电荷都是在材料的表面发生，比表面积越大，所能存储的电荷就越多，容量就越大。
生物质碳是由有机废弃物（如动物骨头、植物根茎、木屑和秸秆等）加工而成的碳材料，其资源丰富，大多廉价易得，且它的有效利用还可以减少环境污染。通过筛选原材料和优化制备方法，可以得到具有大量孔隙结构、巨大比表面积，导电性良好、吸附能力强、物理化学性能稳定、失效后再生方便等特点的生物质碳材料，且被广泛应用于气体吸附与分离、水体净化、电化学储能等前沿领域。利用生物质碳作为超级电容器电极材料已逐渐成为一个研究热点。
发明内容
本发明目的是，提出以具有大孔结构的广玉兰树叶作为原料制备超级电容器电极材料用生物质碳的方法。
本发明包括以下步骤：
1）将干燥、干净的块状广玉兰树叶在惰性气体保护下，于500℃环境温度下进行2小时退火处理，得到热解的广玉兰树叶；
2）将热解的广玉兰树叶和KOH水溶液混合均匀后置100℃环境温度下烘干，得到混合粉末；
3）将混合粉末在惰性气体保护下，置于800～900℃环境温度下退火处理，得到碳化粉末；
4）将碳化粉末冷却后用1M的HCl水溶液浸泡12小时，然后抽滤并水洗至pH值呈中性，再将粉末于80℃烘干，得到生物质活性碳粉末。
本发明以具有大孔结构的广玉兰树叶为原料，制成的生物质活性碳粉末具有多孔活性碳的特性，比表面积≥1500m2·g-1，孔容≥0.9 cm3·g-1，适用于超级电容器的电极材料。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：生物质多孔活性碳具有超高的比表面积（2534 m2·g-1）和大的孔容（1.61 cm3·g-1），有利于电解液与活性物质的充分接触，加上活性碳骨架能作为整体连通的导电网络，使电极内阻降低，降低极化，提高超级电容器电极材料的性能。
进一步地，本发明所述热解的广玉兰树叶与KOH水溶液中的KOH的混合质量比为1∶3～5。采用该比例有利于提高比表面积，增加微孔含量，为其在超级电容器应用中，提供更多的路径和活性位点。
所述热解的广玉兰树叶与KOH水溶液中的KOH的混合质量比为1∶4。对比热解广玉兰树叶与KOH水溶液中KOH的其他混合质量比例，该比例下的比表面积较大，孔容较大，所测得超级电容器性能最佳。
所述混合粉末的退火环境温度为850℃。对比其他温度，该温度下的比表面积较大，孔容较大，所测得超级电容器性能最佳。
本发明还提出以上方法制成的超级电容器电极材料用生物质碳的应用。
将生物质活性碳粉末与乙炔黑和聚四氟乙烯混合，以异丙醇为溶剂，将混合物均匀涂抹在泡沫镍片上，经烘干后压实，制成超级电容器电极片。
该方法制作过程简单，成本低，利于大规模制作。所制得的电极片结构稳定，活性物质不易脱落。
本发明制备的超级电容器电极片具有较高的比电容（110 F·g-1，在电流密度为0.5 A·g-1）。
所述生物质活性碳粉末与乙炔黑和聚四氟乙烯的混合质量比为8∶1∶1。该混合比在保证电极片良好电导率与结构稳定性的前提下，尽可能使用少的乙炔黑和聚四氟乙烯。在测试过程中，该比例下得到的电极材料，既具有较高的比电容，也具有较好的稳定性（电极材料不易脱落）。
所述压实的压力条件为5～10Mp。该范围内的压力，在确保电极片不被压坏的前提下，保证电极材料很好地固定在泡沫镍上。
附图说明
图1为生物质活性碳材料的XRD谱图。
图2为生物质活性碳材料的氮气等温吸附-脱附曲线。
图3为生物质活性碳材料的孔径分布图。
图4为生物质活性碳材料的SEM照片。
图5为生物质活性碳材料的TEM照片。
图6为采用本发明方法制成的超级电容器电极片在不同的电流密度下的恒流充放电曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式：
一、制备工艺：
例一：本实施方式的一种以广玉兰树叶作为原料制备超级电容器电极材料用生物质碳的方法。具体是按以下步骤操作的：
1、将广玉兰树叶水洗、烘干、粉碎成块状，在管式炉中，惰性气体氮气保护下，于500℃进行2小时的预碳化，得到热解的广玉兰树叶。
2、取出步骤1中的热解的广玉兰树叶称重，将热解的广玉兰树叶与KOH按质量比为1∶4混合，并加适量水溶解KOH，充分搅拌12小时，以确保KOH溶液完全渗透到热解的广玉兰树叶的内部。
3、将步骤2所得混合物于100℃烘干，得到粉末。
4、将步骤3所得物粉末在惰性气体保护下，于850℃进行1小时的碳化。
5、将步骤4中碳化后的粉末冷却后分别用1M HCl溶液浸泡12小时，然后抽滤并水洗至pH值呈中性。
6、将步骤中的样品于80℃烘干，得到生物质活性碳粉末。
7、将步骤6中生物质活性碳粉末与乙炔黑和聚四氟乙烯混合，以异丙醇为溶剂，将混合物均匀涂抹在泡沫镍片上，经烘干后压实，制成超级电容器电极片。
例二：本实施方式与例一不同的是 ：步骤2中热解的广玉兰树叶与KOH按质量比分别按1∶3、1∶4和1∶5混合。其它与例一相同。
例三：本实施方式与例一不同的是 ：步骤4中混合物粉末在惰性气体保护下，碳化温度为800℃～900℃中任意温度。其它与例一相同。
图1为本发明制备的生物质活性碳材料的XRD图谱，结果表明生物质碳为无定型碳。
图2为本发明制备的生物质活性碳材料的氮气等温吸附-脱附曲线，结果表明材料内部孔道以微孔与小尺寸的介孔为主。此外，氮气等温吸附-脱附分析还表明材料具有超高的比表面积（2534 m2·g-1）和大的孔容（1.61 cm3·g-1）。
图3为本发明制备的生物质活性碳材料的孔径分布图，结果表明材料内部孔道以微孔与小尺寸的介孔为主。
图4为本发明制备的生物质活性碳材料的SEM照片，由图可看出生物质活性碳由微米尺度的块体所组成。
图5为本发明制备的生物质活性碳材料的TEM照片，由图可看出生物质活性碳内部含有大量的微孔与小尺寸介孔孔道。
二、应用：
将各生物质活性碳分别与乙炔黑和PTFE（聚四氟乙烯）按8∶1∶1的比例混合，以异丙醇为溶剂，将混合物分别各自均匀涂抹在一块5cm x 1cm泡沫镍片上，各涂抹面积大小约为1cm x 1cm，烘干后，分别在压力5～10Mp下压实，制成三片超级电容器电极片。
图6为利用生物质活性碳材料所制备电极片在不同电流密度下的恒流充放电曲线。单电极的超电容性能采用三电极体系、通过CHI760E电化学工作站进行测试，其中Hg/HgO为参比电极，铂电极为对电极，3mol·L-1 KOH溶液为电解液。测试电压范围设定为-0.8～0V，电流密度设置在0.5～10 A·g-1。
电化学测试结果表明，该生物质材料有较高的比容量（如图6所示），这个优越的电化学性能，要归因于生物质活性碳优异的结构参数。
综上所述，本发明利用的生物质活性碳具有十分高的比表面积，是在原有植物细胞壁中，活化生成大量微孔，有利于电解液与活性物质的充分接触，加上活性碳骨架能作为整体连通的导电网络，使电极内阻降低，降低极化，提高超级电容器电极材料的性能。

Claims (7)

1.超级电容器电极材料用生物质碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将干燥、干净的块状广玉兰树叶在惰性气体保护下，于500℃环境温度下进行2小时退火处理，得到热解的广玉兰树叶；
2）将热解的广玉兰树叶和KOH水溶液混合均匀后置100℃环境温度下烘干，得到混合粉末；
3）将混合粉末在惰性气体保护下，置于800～900℃环境温度下退火处理，得到碳化粉末；
4）将碳化粉末冷却后用1M的HCl水溶液浸泡12小时，然后抽滤并水洗至pH值呈中性，再将粉末于80℃烘干，得到生物质活性碳粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述热解的广玉兰树叶与KOH水溶液中的KOH的混合质量比为1∶3～5。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述热解的广玉兰树叶与KOH水溶液中的KOH的混合质量比为1∶4。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述混合粉末的退火环境温度为850℃。
5.如根据权利要求1所述方法制成的超级电容器电极材料用生物质碳的应用，其特征在于：将生物质活性碳粉末与乙炔黑和聚四氟乙烯混合，以异丙醇为溶剂，将混合物均匀涂抹在泡沫镍片上，经烘干后压实，制成超级电容器电极片。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述生物质活性碳粉末与乙炔黑和聚四氟乙烯的混合质量比为8∶1∶1。
7.根据权利要求5或6所述的应用，其特征在于：所述压实的压力条件为5～10Mp。
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