CN109305678A - 一种高比表面积活性炭电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种高比表面积活性炭电极材料及其制备方法，本发明将苹果果肉干燥后浸泡于柠檬酸盐水溶液中，取出果肉干燥后在惰性气氛下进行高温炭化，得初产物，将所得初产物酸洗、水洗至中性后后干燥所得。本发明所制备的活性炭电极材料较传统活性炭相比在具有高比表面积，同时还具有有利于电解质离子传输的大孔片状结构，本发明原料来源广泛易得，价格低廉，降低了大规模生产时的成本。

Description

一种高比表面积活性炭电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种高比表面积活性炭电极材料及其制备方法。
背景技术
超级电容器又称电化学电容器，是介于传统平板电容器和二次电池之间的一种新型储能器件。超级电容器相对于传统二次电池具有功率密度高、循环寿命长等优点，可以作为电子设备和电动汽车的动力电源，因而具有广泛的应用前景。
活性炭因具有较高的比表面积和孔体积，且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉，能大规模生产的优点而成为超级电容器的首选电极材料。目前活性炭作为电极材料的超级电容器已经实现商品化，并在诸多领域得到了广泛的应用。
由于活性炭介孔比例低，且没有大孔，以活性炭做电极的超级电容倍率性能较差。具有高介孔率和大孔的碳材料有利于电解质离子的传输，采用氢氧化钾或氢氧化钠等做活化剂对生物质进行活化是制备活性炭的常用方法，该方法制备的活性炭以微孔为主，不利于电解质离子的传输，不能用作大电流密度超级电容器的电极材料。而有机钾盐直接碳化制备的碳材料含有片层结构堆叠形成的大孔结构，表现出优异的倍率性能，Marta Sevilla等人直接碳化柠檬酸钾，制备得到高比表面积活性炭，这种碳电极材料在高电流下表现出较高的电容保持率，但是采用这种方法制备活性炭产率较低，成本较高，不利于大规模生产(ACS Nano 8(2014)5069–5078)。
发明内容
针对以上技术问题，本发明目提供一种高比表面积活性炭电极材料，同时本发明提供其制备方法。
本发明所述的高比表面积活性炭电极材料，由以下方法制得：以柠檬酸盐和苹果肉为原料，经高温炭化所得。
本发明所述高比表面积活性炭电极材料的制备方法，包括以下步骤：将苹果果肉干燥后浸泡于柠檬酸盐水溶液中，取出果肉干燥后在惰性气氛下进行高温炭化，得初产物，将所得初产物酸洗、水洗至中性后后干燥得成品。
苹果肉的干燥温度为30-150℃，干燥时间为1-200h。
柠檬酸盐为柠檬酸钾、柠檬酸钠中的一种或两种复配。
柠檬酸盐的浓度为0.1-5M。
苹果果肉与柠檬酸盐的质量比为1:0.1-200。
惰性气氛为氮气或氩气中的一种或两种。
苹果果肉在柠檬酸盐水溶液中浸泡的时间为0.1-24h。
高温碳化的温度为500-1000℃。
初产物酸洗所用酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或多种。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。
(1)本发明所制备的活性炭电极材料较传统活性炭相比在具有高比表面积的同时还具有有利于电解质离子传输的片状结构，其中比表面积经测试可达到1500m2g-1；本发明所得电极材料制成的超级电容器具有更高的倍率性能，在1000mV·s-1下的电容保持率可达到70％；
(2)本发明制备时柠檬酸盐和苹果肉为原料，原料来源广泛易得，价格低廉，降低了大规模生产时的成本；
(2)本发明制备时以柠檬酸盐和苹果肉为原料直接高温炭化所得，高温炭化时，苹果肉作为碳源，柠檬酸盐同时起到碳源和活化剂的作用，柠檬酸盐对高温碳化时的苹果肉进行活化，制得的活性炭电极材料的收率可达16％，同时活性炭电极材料具有大孔的片状结构，有利于电解质离子的传输，改善碳材料的倍率性能。
附图说明
图1、实施例1制备的活性炭电极的循环伏安曲线；
图2、实施例2制备的活性炭电极的循环伏安曲线；
图3、实施例3制备的活性炭电极的循环伏安曲线；
图4、实施例1中所制得活性炭电极材料的电镜扫描图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。
实施例1
首先将苹果去皮后切块，于烘箱中80℃干燥24h；配置2M的柠檬酸钾溶液，取4g干燥苹果肉加入20ml 2M柠檬酸钾溶液中浸泡24h，将浸泡后的苹果肉取出后沥去溶液置于烘箱中80℃干燥24h；将上述干燥后的苹果肉在氮气气氛下高温碳化处理，高温碳化的工艺条件为：800℃处理2h，得到的初产物用2M HCl酸洗处理24h，酸洗后的产品用蒸馏水洗涤至中性，置于烘箱中80℃下干燥24h得活性炭电极材料成品。
将上述活性炭按活性物质:导电剂(石墨):粘结剂(聚四氟乙烯)＝85:10:5的比例进行混合后制备成电极片，在6M KOH电解液中进行循环伏安测试，测试结果如图1所示，本实施例制备的高比表面积活性炭电极在100mV/s的扫描速度下循环伏安曲线仍保持较好的矩形形状，在2mV/s扫描速度下的比电容能达到261F/g。
图4示出了实施例1所制得的活性炭电极材料样品电镜扫描图片，可以发现样品呈大孔的片状结构。
实施例2
首先将苹果去皮后切块，于烘箱中150℃下干燥1h；配置0.1M的柠檬酸钾溶液，取1g干燥苹果肉加入130ml5M柠檬酸钾溶液中浸泡24h；将浸泡后的苹果肉取出后沥去溶液置于烘箱中80℃干燥24h；将上述干燥后的苹果肉在氩气气氛下碳化处理，高温碳化的工艺条件为：1000℃处理0.1h，得初产物用2M硫酸处理24h，酸洗后的产品用蒸馏水洗涤至中性，置于烘箱中80℃下干燥24h得活性炭电极材料成品。
将上述活性炭按活性物质:导电剂(石墨):粘结剂(聚四氟乙烯)＝85:10:5的比例进行混合后制备成电极片，在6M KOH电解液中进行循环伏安测试，测试结果如图2所示，本实施例制备的高比表面积活性炭电极在100mV/s的扫描速度下循环伏安曲线仍保持较好的矩形形状，在2mV/s扫描速度下的比电容仍能达到310F/g。
实施例3
首先将苹果去皮后切块，于烘箱中30℃干燥200h，配置0.1M的柠檬酸钠溶液，取10g干燥苹果肉加入34ml 0.1M柠檬酸钾溶液中浸泡24h，将浸泡后的苹果肉取出后沥去溶液置于烘箱中80℃干燥24h；将上述上述干燥后的苹果肉在氮气气氛下碳化处理，高温碳化的工艺条件为：500℃处理20h，得到的产物用2M硝酸处理24h，酸洗后的产品用蒸馏水洗涤至中性，置于烘箱中80℃下干燥24h得活性炭电极材料成品。
将上述活性炭按活性物质:导电剂(石墨):粘结剂(聚四氟乙烯)＝85:10:5的比例进行混合后制备成电极片，在6M KOH电解液中进行循环伏安测试，测试结果如图3所示，本实施例制备的高比表面积活性炭电极在100mV/s的扫描速度下循环伏安曲线仍保持较好的矩形形状，在2mV/s扫描速度下的比电容仍能达到288F/g。

Claims (10)

1.一种高比表面积活性炭电极材料，其特征在于：由以下方法制得：以柠檬酸盐和苹果肉为原料，经高温炭化所得。
2.一种高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将苹果果肉干燥后浸泡于柠檬酸盐水溶液中，取出果肉干燥后在惰性气氛下进行高温炭化，得初产物，将所得初产物酸洗、水洗至中性后干燥得成品。
3.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：苹果肉的干燥温度为30-150℃，干燥时间为1-200h。
4.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：柠檬酸盐为柠檬酸钾、柠檬酸钠中的一种或两种复配。
5.根据权利要求2或4所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：柠檬酸盐的浓度为0.1-5M。
6.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：苹果果肉与柠檬酸盐的质量比为1:0.1-200。
7.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：惰性气氛为氮气或氩气中的一种或两种。
8.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：苹果果肉在柠檬酸盐水溶液中浸泡的时间为0.1-24h。
9.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：高温碳化的温度为500-1000℃，碳化时间为0.1-20h。
10.根据权利要求2所述的高比表面积活性炭电极材料的制备方法，其特征在于：初产物酸洗所用酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或多种。
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