CN109052395A - 废糖液制备银耳状多孔炭的方法及用于制备电极片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了废糖液制备银耳状多孔炭的方法，并公开了用该多孔炭于制备电极片及其制备方法。采用废糖液为前驱体，通过木质素和废糖液均匀混合并炭化，合成了富含含氧官能团的炭材料，并通过KOH活化，制备了具有较好电化学性能的银耳状多孔炭。此方法实现了对维生素C制备过程中产生的废糖液的高附加值的利用，并且减小了生物制药公司处理废糖液的成本，在一定程度上也降低了环境污染。

Description

废糖液制备银耳状多孔炭的方法及用于制备电极片
技术领域
本发明属于化学合成领域，具体涉及利用一种废糖液制备银耳状多孔炭及用本方法制备的银耳状多孔炭在制备电极片中的应用及制备方法。
背景技术
能源短缺是当今世界面临的一个严重问题，为了克服这一问题，综合利用可替代的持续可再生资源实现能源的转化和储备至关重要。近年来，燃料电池、电池组和电容器等能源储备技术的研究备受关注。双电层电容器因其能量密度高、循环寿命长且性能优于其它电池组，而在诸多领域被广泛应用。并且，随着生产垃圾的增多，为了方便处理废弃物，导致一些可被循环利用的废弃物被直接排放，进而造成了环境污染和资源浪费。值得注意的是，在维生素C的生产过程中，产生了大量的废糖液，并含有大量的2-酮基-L-古龙酸、少量的维生素C，以及钠和钾等碱性金属离子。而且，目前对维生素C的废液的循环利用主要体现在生产一些低附加值的产品（如草酸和洗涤剂等），或者使用较为复杂的工序回收2-酮基-L-古龙酸，制备维生素C。
另外，根据废糖液主要的组成可知，其含量丰富的C和O元素，有利于制备电化学性能良好的活性炭电极材料。除此之外，废糖液中的一些碱性金属离子，可以起到一定的活化作用。所以，对废糖液进行循环利用，制备具有高附加值的双电层电容器的多孔炭电极材料具有较大的研究意义。
发明内容
本发明要解决的问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种利用废糖液制备银耳状多孔炭的方法，同时提出了用该多孔炭制备电极片及其制备方法。利用废糖液为前驱体，通过和木质素按一定质量比例均匀混合后炭化，再通过化学活化进行造孔，并最终用作双电层电容器的多孔炭电极材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
废糖液制备银耳状多孔炭的方法，其具体步骤如下：
步骤1，炭化
将废糖液和木质素按质量比5:（1～5）混合，为使它们混合均匀，对混合物进行机械搅拌，时间为1 h～3 h，最佳选择2 h。然后在90 oC温度的条件下鼓风干燥10 h以上；进行高温炭化处理：炭化温度500oC～800oC，最佳选择为600oC，炭化时间为1 h～3 h。
自然冷却至室温，得到蓬松状炭材料。
步骤2，化学活化制备银耳状多孔炭
将步骤1制备的炭材料和氢氧化钾（KOH）按比例均匀混合，质量比mKOH/m炭材料=1～6，在惰性气氛Ar（氩气）中进行活化，活化温度为500～800oC，活化时间为1~3 h。然后，使用2 mol/L的HCl溶液和过量的去离子水进行洗涤和抽滤，直至滤液呈中性。最后，将活化清洗后的多孔炭放置在真空干燥箱中干燥，得到银耳状多孔炭。真空干燥的最佳条件：150 oC，干燥4h。
步骤2中，所述的盐酸为市售的分析纯经过稀释制得的2 mol/L的稀盐酸。
本发明方法制备的银耳状多孔炭用于制备电极片。
本发明方法制备的银耳状多孔炭制备电极片的方法，其步骤是：
步骤1，将上述废糖液制备的银耳状多孔炭、乙炔黑和PTFE混合，其质量百分比为：
银耳状多孔炭80%～95%；
乙炔黑0%～15%；
聚四氟乙烯（PTFE）5%～10%；
银耳状多孔炭、乙炔黑和PTFE最佳质量百分比85%:10%:5%。
步骤2，将上述混合物碾压至薄纸片状。
步骤3，将薄纸片状混合物压至泡沫镍上，制成电极片。
优选地，压制成直径为13 mm的圆形电极片并浸渍于6 mol/L的KOH溶液中（6 mol/L的KOH溶液作电解液），组装成双电层电容器。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
废糖液作为一种高污染的废弃物通过和木质素按质量比例混合，经炭化和活化处理制备银耳状多孔炭。并且，废糖液呈液体状态，致使木质素易于分散于废糖液中。与此同时，采用KOH作为活化剂进行活化，可以增加炭材料的比表面积，以及在炭材料上产生微孔和中孔。并且，制备的多孔炭含有丰富的含氧官能团，有利于增加多孔炭的浸润性，以及通过增加赝电容的方式增加比电容。
附图说明
图1为炭化样品外形比较图，其中，（a）、纯废糖液炭化样品，（b）纯木质素炭化样品，c和d是木质素与废糖液混合物炭化样品。
图2是样品扫描电镜比较图，其中，（a）是纯废糖液炭化样品扫描电镜图、（b）是纯木质素炭化样品扫描电镜图、（c）是废糖液和木质素混合物炭化样品扫描电镜图，（d）是废糖液和木质素混合物活化样品的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1废糖液和木质素混合炭化/活化制备银耳状多孔炭。
步骤1，将废糖液通过减压抽滤，除去不溶性的杂质，再将5g的废糖液和1g的木质素混合后（m废糖液/m木质素=5/1），进行机械搅拌2 h。
将上述得到的混合物倒入烧杯中，并放入鼓风干燥箱中，在90oC的温度下，保持12h后，得到干燥物，并置于管式炉中进行高温炭化处理：700 oC温度条件下高温炭化2 h，得到蓬松状炭化样品。
步骤2，化学活化制备银耳状多孔炭：
（1）将步骤1中的炭化样品和KOH按质量比混合：mKOH/m炭材料=1。
（2）将炭化样品和KOH的混合物，放置在管式炉中，在Ar气氛下升温（10 oC min-1）至设定的活化温度700 oC），活化2 h。自然冷却至室温，收集活化料用2 mol/L稀盐酸充分洗去残余的活化剂，再用去离子水洗涤至中性，最后在150 oC真空状态下干燥4 h，得到银耳状多孔炭。
步骤3，电极片的制备：
将步骤2制备的银耳状多孔炭、乙炔黑和PTFE按照85:10:5的质量比例混合，在玛瑙研钵中碾压至薄纸片状，其中多孔炭的质量约为10 mg。然后将混合物压至泡沫镍上，制成直径为13 mm的圆形电极片。
最后，将制好的电极片浸渍于6 mol/L的KOH溶液中（6 mol/L的KOH溶液作电解液），并组装成双电层电容器。
实施例2，与实施例1基本相同，所不同的是：步骤1中所述的废糖液和木质素的质量比例为5/2，所述的机械搅拌时间为1 h，所述的炭化温度为500oC，炭化时间为1h。步骤2中所述的活化温度为500 oC，活化时间为1h，mKOH/m炭材料=2。
实施例3，与实施例1基本相同，所不同的是：步骤1中所述的废糖液和木质素的质量比例为5/3，所述的机械搅拌时间为3 h，所述的炭化温度为600 oC，炭化时间为3h。步骤2中所述的活化温度为600 oC，活化时间为2.5 h，mKOH/m炭材料=4。
实施例4，与实施例1基本相同，所不同的是：步骤1中所述的废糖液和木质素的质量比例为5/4，所述的炭化温度为800 oC。步骤2中所述的活化温度为800 oC，活化时间为3h，mKOH/m炭材料=6。
实施例5，与实施例1基本相同，所不同的是：步骤1中所述的mKOH/m炭材料=4。废糖液和木质素的质量比例为5/5。
用本发明方法制备了不同批次的银耳状多孔炭，分析结果如下：在废糖液和木质素的质量比例为5/1，炭化温度为600 oC，mKOH/m炭材料=5，活化温度为600 oC和活化时间为2 h的条件下，制备的银耳状多孔炭具有较高的比表面积（2753.9 m2/g），在电流密度为40 mA/g的条件下，其比容可达428 F/g，能量密度为12Wh/kg。

Claims (5)

1.一种废糖液制备银耳状多孔炭的方法，其步骤如下：
步骤1，炭化
将废糖液和木质素按质量比5:（1～5）混合，对混合物进行机械搅拌，搅拌时间为1 h～3 h；然后在90 oC温度的条件下鼓风干燥10 h以上；进行高温炭化处理：炭化温度500oC～800oC，炭化时间为1 h～3 h；
自然冷却至室温，得到蓬松状炭材料；
步骤2，化学活化制备银耳状多孔炭
将步骤1制备的炭材料和氢氧化钾按比例均匀混合，质量比mKOH/m炭材料=1～6，在惰性气氛Ar中进行活化，活化温度为500～800oC，活化时间为1~3 h；然后，使用2 mol/L的HCl溶液和过量的去离子水进行洗涤和抽滤，直至滤液呈中性；最后，将活化清洗后的多孔炭放置在真空干燥箱中干燥，得到银耳状多孔炭。
2.一种权利要求1所述的废糖液制备银耳状多孔炭的方法制备的银耳状多孔炭用于制备电极片。
3.一种权利要求1所述的废糖液制备银耳状多孔炭的方法制备的银耳状多孔炭制备电极片的方法，其步骤是：
步骤1，将权利要求1所述的废糖液制备银耳状多孔炭的方法制备的银耳状多孔炭与乙炔黑和PTFE混合，其质量百分比为：
银耳状多孔炭80%～95%；
乙炔黑0%～15%；
聚四氟乙烯（PTFE）5%～10%；
步骤2，将上述混合物碾压至薄纸片状；
步骤3，将薄纸片状混合物压至泡沫镍上，制成电极片。
4.根据权利要求3所述的一种权利要求1所述的废糖液制备银耳状多孔炭的方法制备的银耳状多孔炭制备电极片的方法，其特征是：
银耳状多孔炭、乙炔黑和PTFE最佳质量百分比85%:10%:5%。
5.根据权利要求3或4所述的一种权利要求1所述的废糖液制备银耳状多孔炭的方法制备的银耳状多孔炭制备电极片的方法，其特征是：
步骤4，将电极片压制成直径为13 mm的圆形电极片并浸渍于6 mol/L的KOH溶液中，组装成双电层电容器。
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