CN109659144A - 一种利用甘蔗渣制备高压水系超级电容器电极材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用甘蔗渣制备高压水系超级电容器电极材料的方法。以废弃物甘蔗渣为碳源、ZnCl2为活化剂，采用高温碳化一步法，制备掺杂多原子的多孔碳材料。此类孔状结构使掺杂的碳材料具有双层电容的特征，其本身较大的比表面积，有利于电解液浸润和载流子在电极材料内部传输和迁移，提高此碳基材料的电化学性能。本发明中，以此碳材料为电极材料进行组装测试，得到的对称性超级电容器，在水系电解液硫酸钠（Na2SO4）中，低电流密度下仍能达到1.8V的超高电压窗口。此外,本发明方法选择了废弃甘蔗渣为原料，不仅有利于解决能源短缺问题，还能有效的降低了电极材料成本；制作流程简单，原料及产物环保，无毒性，易于控制及规模化。

Description

一种利用甘蔗渣制备高压水系超级电容器电极材料的方法
技术领域
本发明属于新型能源环保材料领域，具体涉及一种利用甘蔗渣制备高压水系超级电容器电极材料的方法。本方法以甘蔗渣为碳源、采用高温炭化，制备具有超高电压窗口的水系超级电容器电极材料的方法。本发明具有制备过程简单，原料易取，产量大，所得的多孔碳材料具有双层电容的特点，此双层电容材料作为超级电容器材料相比于其他的储能材料（如铅酸电池、锂电池、钠电池等），兼具高能量密度和功率密度的同时，具有优异的循环使用寿命，且较其他金属氧化物、硫化物等电极材料危害性小、使用安全，具有更高的实用价值和可行性。
背景技术
甘蔗渣作为工业、生活废弃物，每年产量巨大，甘蔗渣作为燃料直接处理产生大量二氧化碳、环境污染，不能充分利用资源，因此研究开发甘蔗渣作为其他工业的原/辅材料是提高其附加值和利用效率的有效途径。所以，以甘蔗渣为生物质基碳材料，在能源储存上有着广阔的发展空间，此类碳材料具有大的比表面积、好的抗腐蚀性、化学稳定性和热稳定性、良好的导电性，能够为电极材料提供优异的电化学性能保障。多孔碳材料具有双层电容特性，不仅能够在极化电解液时为离子提供大的比表面积以储存更多的电荷，且多空多通道下能为电解质离子的扩散和移动提供便捷。在对储能材料安全性能日益苛刻的条件下，以绿色生物质碳材料为主的水系超级电容器领域受到了许多科研工作者的广泛研究。譬如以氯化锌为活化剂制备多孔碳材料在储能材料上的应用（Textural development ofsugar beet bagasse activated with ZnCl2.[J]. Journal of Hazardous Materials,2007, 142(1):138-143. Ma G, Yang Q, Sun K, et al. Nitrogen-doped porouscarbon derived from biomass waste for high-performance supercapacitor.[J].Bioresource Technology, 2015, 197:137-142. Wang K, Xu M, Gu Z, et al. Pyrrolemodified biomass derived hierarchical porous carbon as high performancesymmetrical supercapacitor electrodes[J]. International Journal of HydrogenEnergy, 2016, 41(30):13109-13115.）。以氢氧化钾（KOH）、硫酸（H2SO4）等为活化剂制备多孔碳材料在对称型储能器件上的应用（Wang C, Wu D, Wang H, et al. Biomass derivednitrogen-doped hierarchical porous carbon sheets for supercapacitors withhigh performance.[J]. Journal of Colloid & Interface Science, 2018, 523. AliG A M, Habeeb O A, Algarni H, et al. CaO impregnated highly porous honeycombactivated carbon from agriculture waste: symmetrical supercapacitor study[J].Journal of Materials Science, 2018:1-10.）
上述各种活化剂制备的多孔碳材料普遍具有大的比表面积且具有良好的化学稳定性，但其在水系超级电容器上的，电压窗口受限于水解电压1.23V，受电解液的分解电压影响，能量密度和功率密度不突出。本发明制备方法，具有环保、简单、安全等优点，所得碳材料在对称型水系超级电容器应用可达1.8V，具有优良的能量密度和功率密度。
发明内容
本发明是目的是提供一种利用甘蔗渣制备高压水系超级电容器电极材料的方法。
具体步骤为：
（1）将甘蔗渣粉碎至细颗粒，过200目滤网，放置于鼓风干燥箱，80 ℃条件下干燥，直至达到恒定重量，制得甘蔗渣粉，待用。
（2）取步骤（1）制备的甘蔗渣粉与ZnCl2混合，并加入蒸馏水搅拌均匀，所得混合物在110 ℃下进行干燥。
（3）使用管式炉，在氩气保护下，将步骤（2）干燥后的样品在800 ℃下热处理2 h，升温速率为2 ℃/min，最后自然冷却至室温，得到黑色产物。
（4）用0.5 M HCl将产物进行清洗，去除Zn2+和杂质，随后用蒸馏水洗涤至pH=7，清洗后的样品在100℃下真空干燥，得到多孔碳。
（5）按照质量比为8:1:1称取步骤（4）制得的多孔碳、乙炔黑和聚偏氟乙烯，在研钵中研磨，加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂混合均匀并涂覆于1×1 cm2的钢网上，然后置于真空干燥箱中100 ℃下真空干燥12 h，即制得高压水系超级电容器电极材料。
所述甘蔗渣粉与ZnCl2 的质量比为1:1、2:1或1:2。
本发明方法具有以下优点：
本发明方法制得电极材料在对称型水系超级电容器中具有高电压窗口，且通过混合、脱水、炭化三个简单而熟悉的实验步骤，通过简单的实验设备即可完成。本发明方法的实验步骤之间相互影响小，减少了实验误差，同时制备过程简单、可靠、易合成；原料来源广，成本低；产物物理、化学稳定性高，寿命长，环保性强；中性的水系电解液降低危险性，使用安全，能够得到高能量密度和功率密度的多孔碳材料。（6）性能测试。测试仪器为上海晨华CHI660E、蓝电系统，以单电极、二电极的方法对电极材料进行测试，其中三电极电解液为1M硫酸，二电极电解液为1 M硫酸钠，参比电极为双盐桥电极。对称型超级电容器的正负极均为质量相等的多孔碳材料。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的多孔碳的扫描电镜图。
图2是本发明实施例1制备的多孔碳的循环伏安图。
图3是本发明实施例1制备的多孔碳的充放电图。
具体实施方式
实施例1：
（1）将甘蔗渣粉碎至细颗粒，过200目滤网，放置于鼓风干燥箱，80 ℃条件下干燥，直至达到恒定重量，待用。
（2）取步骤（1）制备的甘蔗渣样品与ZnCl2以质量比为1：1混合，并加入蒸馏水搅拌均匀，以110 ℃将混合物完全干燥。
（3）使用管式炉，在氩气保护性，将干燥后的样品进行800 ℃热处理2 h，升温速率为2℃/min，自然冷却至室温，得到黑色产物。
（4）用0.5 M HCl将产物进行多次清洗，去除Zn2+和杂质，随后用蒸馏水洗涤至中性pH=7。清洗后的样品在100 ℃下真空干燥，得到目标产物多孔碳。
（5）将步骤（4）制备的制得的多孔碳（活性物质）、乙炔黑、聚偏氟乙烯（质量比8:1:1）在研钵中研磨，加入N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂混合均匀并涂覆于钢网1×1 cm2，将电极放于真空干燥箱中100 ℃真空干燥12 h，得到的电极材料待测。
性能测试。测试仪器为上海晨华CHI660E、蓝电系统，以单电极、二电极的方法对电极材料进行测试，其中三电极电解液为1 M硫酸，二电极电解液为1 M硫酸钠，参比电极为双盐桥电极。对称型超级电容器的正负极均为质量相等的多孔碳材料。
实施例2：
（1）将甘蔗渣粉碎至细颗粒，过200目滤网，放置于鼓风干燥箱，80 ℃条件下干燥，直至达到恒定重量，待用。
（2）取步骤（1）制备的甘蔗渣样品与ZnCl2以质量比为2：1混合，并加入蒸馏水搅拌均匀，以110 ℃将混合物完全干燥。
（3）使用管式炉，在氩气保护性，将干燥后的样品进行800 ℃热处理2 h，升温速率为2℃/min，自然冷却至室温，得到黑色产物。
（4）用0.5 M HCl将产物进行多次清洗，去除Zn2+和杂质，随后用蒸馏水洗涤至中性pH=7。清洗后的样品在100 ℃下真空干燥，得到目标产物多孔碳。
（5）制作电极：将步骤（4）制备的制得的多孔碳（活性物质）、乙炔黑、聚偏氟乙烯（质量比8:1:1）在研钵中研磨，加入N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂混合均匀并涂覆于钢网1×1 cm2，将电极放于真空干燥箱中100 ℃真空干燥12 h，得到的电极材料待测。
性能测试。测试仪器为上海晨华CHI660E、蓝电系统，以单电极、二电极的方法对电极材料进行测试，其中三电极电解液为1 M硫酸，二电极电解液为1 M硫酸钠，参比电极为双盐桥电极。对称型超级电容器的正负极均为质量相等的多孔碳材料。
实施例3：
（1）将甘蔗渣粉碎至细颗粒，过200目滤网，放置于鼓风干燥箱，80 ℃条件下干燥，直至达到恒定重量，待用。
（2）取步骤（1）制备的甘蔗渣样品与ZnCl2以质量比为1：2混合，并加入蒸馏水搅拌均匀，以110 ℃将混合物完全干燥。
（3）使用管式炉，在氩气保护性，将干燥后的样品进行800 ℃热处理2 h，升温速率为2 ℃/min，自然冷却至室温，得到黑色产物。
（4）用0.5 M HCl将产物进行多次清洗，去除Zn2+和杂质，随后用蒸馏水洗涤至中性pH=7。清洗后的样品在100 ℃下真空干燥，得到目标产物多孔碳。
（5）制作电极：将步骤（4）制备的制得的多孔碳（活性物质）、乙炔黑、聚偏氟乙烯（质量比8:1:1）在研钵中研磨，加入N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂混合均匀并涂覆于钢网1×1 cm2，将电极放于真空干燥箱中100 ℃真空干燥12 h，得到的电极材料待测。
性能测试。测试仪器为上海辰华CHI660E、蓝电系统，用三电极、二电极的方法对电极材料进行测试，其中三电极电解液为1 M硫酸，二电极电解液为1 M硫酸钠，参比电极为双盐桥电极。对称型超级电容器的正负极均为质量相等的多孔碳材料，对其进行二电极测试。

Claims (1)

1.一种利用甘蔗渣制备高压水系超级电容器电极材料的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）将甘蔗渣粉碎至细颗粒，过200目滤网，放置于鼓风干燥箱，80 ℃条件下干燥，直至达到恒定重量，制得甘蔗渣粉，待用；
（2）取步骤（1）制备的甘蔗渣粉与ZnCl2混合，并加入蒸馏水搅拌均匀，所得混合物在110℃下进行干燥；
（3）使用管式炉，在氩气保护下，将步骤（2）干燥后的样品在800 ℃下热处理2 h，升温速率为2 ℃/min，最后自然冷却至室温，得到黑色产物；
（4）用0.5 M HCl将产物进行清洗，去除Zn2+和杂质，随后用蒸馏水洗涤至pH=7，清洗后的样品在100℃下真空干燥，得到多孔碳；
（5）按照质量比为8:1:1称取步骤（4）制得的多孔碳、乙炔黑和聚偏氟乙烯，在研钵中研磨，加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂混合均匀并涂覆于1×1 cm2的钢网上，然后置于真空干燥箱中100 ℃下真空干燥12 h，即制得高压水系超级电容器电极材料；
所述甘蔗渣粉与ZnCl2 的质量比为1:1、2:1或1:2。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106587055A (zh) * 2016-11-17 2017-04-26 华南理工大学 一种生物质基多孔碳材料及制法与在超级电容器中的应用
CN106698418A (zh) * 2016-11-17 2017-05-24 华南理工大学 一种自模板法纤维类生物质基多孔碳材料及其制备方法和应用
WO2017205960A1 (en) * 2016-05-30 2017-12-07 Adven Industries, Inc. Activated carbons with high surface areas and methods of making same
CN108010749A (zh) * 2017-11-30 2018-05-08 浙江海洋大学 一种基于海带生物质炭超级电容器电极材料的制备方法
CN108117073A (zh) * 2017-12-29 2018-06-05 中南民族大学 一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用
CN108232369A (zh) * 2017-12-29 2018-06-29 华南理工大学 一种生物质衍生的集成式柔性电极及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017205960A1 (en) * 2016-05-30 2017-12-07 Adven Industries, Inc. Activated carbons with high surface areas and methods of making same
CN106587055A (zh) * 2016-11-17 2017-04-26 华南理工大学 一种生物质基多孔碳材料及制法与在超级电容器中的应用
CN106698418A (zh) * 2016-11-17 2017-05-24 华南理工大学 一种自模板法纤维类生物质基多孔碳材料及其制备方法和应用
CN108010749A (zh) * 2017-11-30 2018-05-08 浙江海洋大学 一种基于海带生物质炭超级电容器电极材料的制备方法
CN108117073A (zh) * 2017-12-29 2018-06-05 中南民族大学 一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用
CN108232369A (zh) * 2017-12-29 2018-06-29 华南理工大学 一种生物质衍生的集成式柔性电极及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨谦: "生物质废弃物基高性能多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *

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