CN107026028A - 一种利用生物质材料快速制备超级电容器用碳气凝胶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种利用微波辅助快速制备可用于超级电容器的生物质碳气凝胶的方法。属于生物质材料与电化学技术领域。其工艺是将木质素、单宁和间苯二酚的混合物与甲醛以1∶2的摩尔比混合均匀，在功率为10‑200W的单模微波反应器中，辐射3‑60min，使之缩合凝胶化；然后在45℃下2％乙酸的溶液中恒温老化三天，丙酮溶剂置换3‑5次，得到生物质湿凝胶。进一步在40‑60℃下真空干燥1天，得到生物质气凝胶。在惰性气氛保护下，以3℃/min从30℃升温至800℃，并在800℃保持1h，自然冷却至室温，得到生物质碳气凝胶。本方法快速、节能、环保，所得碳气凝胶结构可控，具有良好的比电容性质，可用于超级电容器电极材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用生物质材料快速制备超级电容器碳气凝胶的方法。属于生物质材料与电化学技术领域。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，新型储能材料的开发利用已经成为了人们越来越关心的热点领域之一。在第十二届全国人大第四次会议通过的关于国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要决议中，将能源储备设施列为了八大重点工程之一。超级电容器作为一种新型的储能设备，具有较高的比容量、良好的循环稳定性，能够快速充电，寿命超长，能够应用于备份能源、电动汽车、风力发电等领域，甚至可直接替代电池。电极材料是超级电容器的关键组成部件之一，其性质决定了电容量、放电电流、使用寿命等关键性能参数。目前超级电容器的电极材料主要包括碳材料、金属氧化物和导电高分子材料三类。碳材料作为几种材料中价格最便宜，最易获得的一种，是目前广泛被采纳的方案。但即便如此，以碳作为电极材料，其成本仍占到了超级电容器成本的30％以上。因此，廉价而高质量的碳材料是目前研究领域和产业界探索的热点之一。
碳气凝胶是一种新型纳米级多孔碳材料，具有密度低、比表面积高、电导率高、热导率低以及孔径分布可控等优点，这些优良的性能使在超级电容器和充电电池的电极材料等方面都有着良好的应用前景。我国是超级电容器产能大国，截至2012年，我国的超级电容器市场规模已占全球的15％。但全球超级电容器市场份额仅占储能设备总市场份额的1％，在我国更是只占0.5％，且其需求量在还在以每年50-150％的速度迅速增加。因而，超级电容器还具有极大的发展前景。
超级电容器用的碳材料一般要求具有可控的孔径结构、化学惰性、导电性好等特性，目前常用的碳电极材料包括碳气凝胶、活性炭、活性炭纤维等。其中碳气凝胶以其高达80-98％的高孔隙率，以及孔径可调节性的特性在近年来受到了广泛关注。目前碳气凝胶的制备工艺主要以酚醛湿凝胶的干燥、碳化为主。即以间苯二酚和甲醛为原料，在一定温度下热浴加热交联凝胶化1-7天，继而经乙酸陈化和低表面张力有机溶剂置换后，干燥得到有机气凝胶，并进一步碳化得到碳气凝胶。该工艺过程中使用大量石油基原料，如间苯二酚、甲醛等，且具有一定的毒性，生产过程会对环境产生潜在的危险；同时，交联凝胶化时间较长，增加了生产周期。
微波作为一种电磁波，其波长范围介于红外和无线电波之间，表现出了与两者较为不同的产生、传输和应用特性。它对水、木材、纸张等含有有机极性官能团的材料具有较强的、均匀的选择性热效应，在某些体系中也存在着一些熵致非热效应。热效应与非热效应的结合，使得这一技术在化学合成领域，如金属离子的水解、有机金属反应、缩合反应、消去反应、取代反应等，已经得到了较为广泛的研究和应用。通常情况下，微波辅助化学反应能够大大加快化学反应的速度。在相同温度下，微波的存在有时可以使得反应速度达到常规状态下的数倍，甚至数百倍以上。同时，很多研究也表明，微波辅助技术可以有时可以使某些反应产物的得率显著提高，说明微波辅助过程存在着改变反应过程的作用。目前微波辅助加热反应器多采用多模微波机理，但该方法能耗较大(≥300W)且能量利用率不高。而单模微波是一种理想的微波加热模式，具有较高的能量利用率，可以在较低功率条件下提高反应速度和产率。
本专利以含有多酚基的生物质高分子为原料，部分或完全取代间苯二酚，采用单模微波辐照的方法制备湿凝胶，并进一步干燥、碳化获得碳气凝胶，所得碳气凝胶产品可用于超级电容器电极材料。
发明内容
针对目前传统碳气凝胶制备成本高、石油基原料毒性大、合成周期长等问题，本发明提出了一种以生物质高分子材料为原料、利用微波辐照辅助凝胶化快速制备超级电容器碳气凝胶的方法。
本发明所述利用生物质材料快速制备超级电容器碳气凝胶的方法，按以下步骤进行：
1、溶液的配制：将含多酚基的生物质高分子材料(包括单宁、木质素中的一种或几种)与间苯二酚以任意比进行混合，然后将该混合物与市售甲醛以1∶2的摩尔比在水相中进行混合，剧烈搅拌，使各组成部分充分溶解均匀。
2、生物质湿凝胶的制备：取1中所制溶液置于反应容器中，并配以回流冷凝装置，利用单模微波反应器使其凝胶化，微波功率10-200W，处理时间为3-60min。再将凝胶置于2％的乙酸溶液中浸泡，保持45℃恒温三天使其老化，然后进行溶剂交换，采用丙酮作为交换剂，置换3-5次，最终制备生物质湿凝胶。
3、生物质气凝胶的制备：将生物质湿凝胶凝胶于40-60℃下真空干燥1天，制备生物质气凝胶。
4、生物质碳气凝胶的制备：将干燥后的生物质气凝胶在惰性气体(N2、Ar等)保护下高温碳化，以3℃/min从30℃升温至800℃，并在800℃保温1h，自然冷却至室温，制备生物质碳气凝胶。
5、电化学性能测试：电化学性能测试通过电化学工作站进行，采用三电极系统，以6mol KOH溶液作为电解质溶液。将制得的生物质碳气凝胶与乙炔黑、聚四氟乙烯混合均匀后负载在泡沫镍上，于真空干燥箱中干燥12h后作为工作电极，以铂片为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，采用恒电流充放电测试所制备生物质碳气凝胶的比电容量。
本发明的优点：(1)简单迅速：利用单模微波法制备碳气凝胶，具有操作工艺简单、反应速度快、产品得率高等优点，可以大大缩短制备周期；(2)环保无公害：本发明原料所用单宁、木质素等均为天然生物质高分子材料，具有成本低、绿色、环保、污染小等特点，且与甲醛之间的反应活性好；(3)高效节能：本发明所涉及单模微波功率仅10-200W、处理时间3-60min，与常规热浴加热或采用多模微波炉加热，能耗大大降低，可有效降低能源成本；(4)产品质量好：本发明利用单模微波反应法所制备超级电容器碳气凝胶，利用单模微波各向同性的性质，具有微观形貌及孔径结构均匀可控的特点，有助于提高产品性质及稳定性。
附图说明
图1为实施例4制备的碳气凝胶的宏观示意图。
图2为实施例4制备的碳气凝胶的恒电流充放电测试曲线。
图3为实施例4制备的碳气凝胶的孔径分布曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于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。
实施例1：
(1)溶液的配制：将木质素与间苯二酚以0∶100的质量比进行混合，然后将该混合物与甲醛溶液以1∶2的摩尔比在水相中进行混合，剧烈搅拌，使各组成部分充分溶解均匀。
(2)生物质湿凝胶的制备：取1中所制溶液置于反应容器中，并配以回流冷凝管装置，利用单模微波反应器使其凝胶化，微波功率10W，处理时间为30min。再将凝胶置于2％的乙酸溶液中浸泡，保持45℃恒温三天使其老化，然后进行溶剂交换，采用丙酮作为交换剂，置换3-5次，最终制备生物质湿凝胶。
(3)生物质气凝胶的制备：将生物质湿凝胶于40℃下真空干燥1天，制备生物质气凝胶。
(4)生物质碳气凝胶的制备：将干燥后的生物质气凝胶在惰性气体N2保护下置于石英管式炉中高温碳化，以3℃/min从30℃升温至800℃，并保温1h，自然冷却，制备生物质碳气凝胶。
(5)电化学性能测试：将制得的生物质碳气凝胶通过电化学工作站测试其电化学性能，其比电容量为61.36F/g。
实施例2：
(1)溶液的配制：将单宁与间苯二酚以100∶0的质量比进行混合，然后将该混合物与甲醛溶液以1∶2的摩尔比在水相中进行混合，剧烈搅拌，使各组成部分充分溶解均匀。
(2)生物质湿凝胶的制备：取1中所制溶液置于反应容器中，并配以回流冷凝管装置，利用单模微波反应器使其凝胶化，微波功率10W，处理时间为60min。再将凝胶置于2％的乙酸溶液中浸泡，保持45℃恒温三天使其老化，然后进行溶剂交换，采用丙酮作为交换剂，置换3-5次，最终制备生物质湿凝胶。
(3)生物质气凝胶的制备：将生物质湿凝胶于40℃下真空干燥1天，制备生物质气凝胶。
(4)生物质碳气凝胶的制备：将干燥后的生物质气凝胶在惰性气体N2保护下置于石英管式炉中高温碳化，以3℃/min从30℃升温至800℃，并保温1h，自然冷却，制备生物质碳气凝胶。
(5)电化学性能测试：将制得的生物质碳气凝胶通过电化学工作站测试其电化学性能，其比电容量为16.27F/g。
实施例3：
(1)溶液的配制：将木质素与间苯二酚以50∶50的质量比进行混合，然后将该混合物与甲醛溶液以1∶2的摩尔比在水相中进行混合，剧烈搅拌，使各组成部分充分溶解均匀。
(2)生物质湿凝胶的制备：取1中所制溶液置于反应容器中，并配以回流冷凝管装置，利用单模微波反应器使其凝胶化，微波功率10W，处理时间为3min。再将凝胶置于2％的乙酸溶液中浸泡，保持45℃恒温三天使其老化，然后进行溶剂交换，采用丙酮作为交换剂，置换3-5次，最终制备生物质湿凝胶。
(3)生物质气凝胶的制备：将生物质湿凝胶于40℃下真空干燥1天，制备生物质气凝胶。
(4)生物质碳气凝胶的制备：将干燥后的生物质气凝胶在惰性气体N2保护下置于石英管式炉中高温碳化，以3℃/min从30℃升温至800℃，并保温1h，自然冷却，制备生物质碳气凝胶。
(5)电化学性能测试：将制得的生物质碳气凝胶通过电化学工作站测试其电化学性能，其比电容量为171.90F/g。
实施例4：
(1)溶液的配制：将单宁与间苯二酚以80∶20的质量比进行混合，然后将该混合物与甲醛溶液以1∶2的摩尔比在水相中进行混合，剧烈搅拌，使各组成部分充分溶解均匀。
(2)生物质湿凝胶的制备：取1中所制溶液置于反应容器中，并配以回流冷凝管装置，利用单模微波反应器使其凝胶化，微波功率10W，处理时间为30min。再将凝胶置于2％的乙酸溶液中浸泡，保持45℃恒温三天使其老化，然后进行溶剂交换，采用丙酮作为交换剂，置换3-5次，最终制备生物质湿凝胶。
(3)生物质气凝胶的制备：将生物质湿凝胶于40℃下真空干燥1天，制备生物质气凝胶。
(4)生物质碳气凝胶的制备：将干燥后的生物质气凝胶在惰性气体N2保护下置于石英管式炉中高温碳化，以3℃/min从30℃升温至800℃，并保温1h，自然冷却，制备生物质碳气凝胶。
(5)电化学性能测试：将制得的生物质碳气凝胶通过电化学工作站测试其电化学性能，其比电容量为33.47F/g。
图1为实施例4所制备碳气凝胶的外观示意图；图2为实施例4所制备碳气凝胶的恒电流充放电结果图，可见该材料具有良好的电容效果，可在不同电流密度下使用；图3为实施例4中所得碳气凝胶的孔径分布，可见其具有较均匀的微观孔径分布。
表1不同试剂配比及微波实验条件下比电容量对比
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 微波功率(W) | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 微波时间(min) | 30 | 60 | 3 | 30 |
| 实验配比 | L∶R＝0∶100 | T∶R＝100∶0 | L∶R＝50∶50 | T∶R＝80∶20 |
| 比电容量(F/g) | 61.36 | 16.27 | 171.90 | 33.47 |
其中L∶R为木质素与间苯二酚的质量比；T∶R为单宁与间苯二酚的质量比。
Claims (5)
1.一种利用单模微波辐照的制备生物质碳气凝胶的方法，其特征是该方法的工艺步骤依次分为：
(1)将含多酚基的生物质高分子材料与间苯二酚以任意比进行混合，然后将该混合物与市售甲醛以1∶2的摩尔比在水相中进行混合，剧烈搅拌，使各组成部分充分溶解均匀。
(2)取1中所制溶液置于单模微波反应容器中，并配以回流冷凝装置，利用单模微波辐照使其凝胶化。再将凝胶置于2％的乙酸溶液中浸泡，保持45℃恒温三天使其老化，然后进行溶剂交换，采用丙酮作为交换剂，置换3-5次，最终制备生物质湿凝胶。
(3)将生物质基湿凝胶凝胶于40-60℃下真空干燥1天，制备生物质气凝胶。
(4)将干燥后的生物质气凝胶在惰性气氛(N2、Ar等)保护下高温碳化，以3℃/min从30℃升温至800℃，并在800℃保温1h，自然冷却至室温，制备生物质基碳气凝胶。
(5)电化学性能测试：电化学性能测试通过电化学工作站进行，采用三电极系统，以6mol KOH溶液作为电解质溶液。将制得的生物质碳气凝胶与乙炔黑、聚四氟乙烯混合均匀后负载在泡沫镍上，于真空干燥箱中干燥12h后作为工作电极，以铂片为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，采用恒电流充放电测试所制备生物质碳气凝胶的比电容量。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)所述含多酚基的生物质高分子材料包括单宁、木质素等中的一种或几种。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)所述微波处理条件为微波功率10-200W，处理时间3-60min。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)所述干燥温度40-60℃，干燥时间1天。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4)所述碳化升温速度3℃/min，碳化温度800℃。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112216526A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-12 | 贵港益乐科技发展有限公司 | 一种生物质基多孔碳气凝胶的超级电容器电极材料及其制法 |
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