CN110217789A - 一种皮革基电容炭材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种皮革基电容炭材料，以蓝湿革屑为原材料制得，具有氧元素和氮元素、分级多孔结构及高比表面积。本发明公开了皮革基电容炭材料的制备方法，以蓝湿革屑为原料，通过高温炭化含铬革屑、溶解氧化铬模板和碱液化学活化，最终制备出具有氧、氮掺杂的高表面积的分级多孔碳结构，该方法可以将大量废弃的含铬革屑资源化利用，同时具有操作简单、绿色环保的等特点，可以极大的降低商业多孔碳的生产成本，有利于大规模的生产应用。本发明还公开了皮革基电容炭材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用。
Description
技术领域
本发明属于电极材料领域，特别涉及一种皮革基电容炭材料及其制备方法和应用。
背景技术
超级电容器作为替代能量存储系统，因其高功率密度、快速充电能力和长循环寿命而备受关注，它的性能主要取决于所用的电极材料。因此，开发高性能电极材料具有特别重要的意义。目前，多孔碳材料由于其优异的物理化学稳定性，高表面积，高孔隙率和相对高的导电性，被认为是超级电容器最有前景的电极材料。但传统的多孔碳通常由单一孔隙组成，这使得很难同时表现出高电容和良好的倍率性能。最近，采用具有大孔、中孔和微孔组成的3D结构的分级多孔碳(HPC)来制造先进的超级电容器成为研究的热点，这主要是分级多孔碳同时具有大孔、中孔和微孔的优点而显示出协同效应，因此它们可以提供高电容和良好的倍率性能。然而通常采用具有特殊结构的模板制备分级多孔碳，这种模板的制备是相对复杂，昂贵且耗时的。这一缺点限制了它们在商业上大规模的应用。
为了简化模板的制备或避免使用模板，学者们提出了一些用于合成分级多孔碳的新方法(例如，共组装和自模板方法)。其中，自模板方法用于制备分级多孔碳的方法已被广泛研究使用天然生物质材料，如香蕉皮，西瓜，大麻，人发，稻壳，樱花等。天然生物质材料呈现出自身多孔结构而不需要人工合成，这些天然生物质的结构可以通过化学方法转化为分级多孔结构。此外，利用可再生生物质生产HPC对可持续发展和环境保护至关重要。尽管许多研究人员已经从各种生物质制备了HPC，但原料短缺是其应用的最大障碍之一。考虑到超级电容器的广泛应用，从低成本和丰富的生物质开发HPC可能是非常有益的和有竞争力的。
皮革制造是一种古老的传统工艺，据预测，全球每年约有650万吨皮革被加工。在加工过程中会产生大量固体废弃物，由于在鞣制过程中Cr(III)与胶原纤维形成稳定的络合物，因此制革行业会产生大量含Cr(III)废弃革屑，这种含有Cr(III)的革屑被称为蓝湿革屑，蓝湿革屑传统的处理方法是采用填埋和焚烧等，这将造成大量的资源被浪费同时会对环境造成潜在的危险。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种皮革基电容炭材料，以蓝湿革屑作为原材料，制备出具有氧、氮掺杂的高比表面积的多孔碳材料，具有较大的优势。
本发明的目的之二在于提供一种皮革基电容炭材料的制备方法，以蓝湿革屑为原料，操作简单、绿色环保，生产成本低，有利于大规模的生产应用。
本发明的目的之三在于提供皮革基电容炭材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种皮革基电容炭材料，所述皮革基电容炭材料以蓝湿革屑为前驱体制得，含有氧元素和氮元素，具有分级多孔结构。
进一步，所述皮革基电容炭材料的比表面积为1397～3211m2g-1。
进一步，所述蓝湿革屑来源于皮革加工工业废弃物。
本发明还公开了一种皮革基电容炭材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蓝湿革屑干燥、粉碎，得到粉末革；
(2)将粉末革炭化，得到氧化铬-碳复合物；
(3)将氧化铬-碳复合物与溴酸钾以质量比为(1～4)：1进行混合，加热并冷凝回流10-15小时，过滤、洗涤、干燥得到模板碳，滤液为含铬溶液；
(4)将模板碳与碱性物质以质量比为1：(1～3)混合，升温至700～900℃，并在氮气保护条件下进行活化反应，得到活化产物；
(5)将活化产物用酸液浸泡2～10小时，过滤，洗涤至中性，干燥后得到具有分级多孔结构的皮革基电容炭材料。
进一步，步骤(2)中，炭化在通氮气条件下进行，炭化温度为400～600℃。
进一步，步骤(4)中，升温速度为5℃/min，活化反应时间为1～2h。
进一步，步骤(4)中，碱性物质采用氢氧化钾或氢氧化钠。
进一步，步骤(5)中，酸液采用盐酸、硫酸或硝酸。
进一步，将步骤(3)得到的含铬溶液进行回收利用。
本发明还公开了所述的皮革基电容炭材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种皮革基电容炭材料，以蓝湿革屑作为原材料，制备出具有氧、氮掺杂的高比表面积的分级多孔碳材料。其中氧、氮掺杂将为超级电容器提供必要的亲水性和额外的电容，而且在分级多孔结构和高的比表面积中，中孔/大孔可以提供离子传输通道，可以明显提高速率性能，而微孔和高的比表面积可以为电荷的存储提供条件进而获得高比电容。
进一步，蓝湿革屑来源于皮革加工工业废弃物，变废为宝，对废弃物中有效成分进行开发利用，非常符合我国绿色可持续的发展理念。
本发明还公开了一种皮革基电容炭材料的制备方法，主要是将蓝湿革屑碳化，因为蓝湿革屑主要成分是胶原蛋白，所以在加热过程中会产生CO2、CO、NH2和水蒸气等气体挥发物，同时形成氧化铬-碳复合物，由于氧化铬遇酸相对稳定，不能溶解氧化铬-碳复合物中的氧化铬，因此选择溴酸钾溶解复合物中氧化铬，被溶解后的氧化铬在炭表面形成模板孔，随后将形成的模板炭与碱液混合，在氮气保护条件下高温活化，在活化过程中，钾离子在高温条件下通过刻蚀模板炭表面形成分级多孔炭，最后使用酸液浸泡是为了中和在活化后使用的碱及去除碳中多余的金属氧化物，制备具有氧、氮掺杂的高比表面积的多孔碳，通过这种方法可以将大量废弃的含铬革屑资源化利用，可以极大的降低商业多孔碳的生产成本，有利于大规模的生产应用，同时具有操作简单、绿色环保等特点。
进一步，在氮气保护条件下高温加热使蓝湿革屑完全炭化。
进一步，将溶解氧化铬后的含铬溶液进行回收利用，主要用于皮革鞣制工艺中，或制备成纳米氧化铬，防止污染环境。
本发明还公开了皮革基电容炭材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用，将皮革基电容炭材料制作成三电极超级电容器，在KOH溶液中使用循环伏安法测试，具有优良的比电容，在电流密度0.5A/g-50A/g进行恒流充放电测试，电极的比电容保持率较高，说明本皮革基电容炭材料可用于制造水系或有机系电化学电容器。
附图说明
图1是Cr(III)与皮革胶原纤维结合示意图；
图2是本发明的皮革基电容炭材料的制备原理图；
图3是本发明的皮革基电容炭材料制备过程中材料的变化示意图；
图4是本发明制备的皮革基电容炭材料的扫描电镜图片；其中图(a)代表实施例1制备的多级孔道皮革基电容炭的扫描电镜图片，其中图(b)代表实施例2制备的多级孔道皮革基电容炭的扫描电镜图片，其中图(c)代表实施例3制备的多级孔道皮革基电容炭的扫描电镜图片，其中图(d)代表实施例4制备的多级孔道皮革基电容炭的扫描电镜图片；
图5是本发明实施例1制备的皮革基电容炭材料在不同放大倍数下的透射电镜图片；其中图(a)代表200nm放大倍数，图(b)代表50nm放大倍数，图(c)代表5nm放大倍数；
图6是本发明实施例1-4制备的皮革基电容炭材料制作的三电极超级电容器在6mol KOH溶液中100mV s-1的循环伏安曲线；
图7是本发明实施例1-4制备的皮革基电容炭材料制作的三电极超级电容器在6mol KOH溶液中1A g-1的充放电曲线；
图8是本发明实施例1-4制备的皮革基电容炭材料制作的三电极超级电容器在6mol KOH溶液中电流密度和比电容的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的皮革基电容炭材料，以蓝湿革屑为原材料制得，具有氧元素和氮元素、分级多孔结构及高比表面积。
所述蓝湿革屑来源于皮革加工工业废弃物，包括牛皮、羊皮或者猪皮蓝湿革屑。
实施例1
(1)将蓝湿革屑干燥、粉碎，蓝湿革屑中胶原纤维与Cr(III)结合示意图如图1所示；
(2)将上述步骤(1)中处理后的含铬革屑在氮气条件下炭化3小时，炭化温度为500℃，得到氧化铬-碳复合物；
(3)取上述步骤(2)中得到的氧化铬-碳复合物4g，取溴酸钾1g，进行混合，加入至200ml三角瓶中，加热冷凝回流12小时，过滤，洗涤，干燥得到模板碳，滤液为含铬溶液；
(4)取上述步骤(3)中得到的模板碳3g，取氢氧化钾6g，混合均匀，控制反应温度800℃、升温速度5℃/min，反应时间1小时，进行活化，得到活化产物；
(5)将上述步骤(4)得到的活化产物用2mol盐酸浸泡，浸泡时间7小时，过滤，洗涤至中性，干燥后得到皮革基电容炭，皮革基电容炭材料制备过程的原理图和实物图分别如图2、3所示。
如图4(a)、图5所示，本实施例制备的皮革基电容炭具有分级多孔结构。经计算比表面积为3211m2g-1。将皮革基电容炭材料制作成三电极超级电容器，在6mol KOH溶液中使用循环伏安法测试，比电容为335.5F g-1；在电流密度0.5A/g-50A/g进行恒流充放电测试，电极的比电容保持率为72％。如图6和7所示，通过计算可得比电容为335.5F g-1；如图8所示，当电流密度0.5A/g-50A/g进行恒流充放电测试，电极的比电容保持率为72％。
实施例2
(1)将蓝湿革屑干燥、粉碎；
(2)将上述步骤(1)中处理后的含铬革屑在氮气条件下炭化2小时，炭化温度为600℃，得到氧化铬-碳复合物；
(3)取上述步骤(2)中得到的氧化铬-碳复合物4g，取溴酸钾1g，进行混合，加入至200ml三角瓶中，冷凝回流10小时，过滤，洗涤，干燥得到模板碳，滤液为含铬溶液；
(4)取上述步骤(3)中得到的模板碳3g，取氢氧化钾3g，混合均匀，控制反应温度900℃、升温速度5℃/min，反应时间1小时，进行活化，得到活化产物；
(5)将上述步骤(4)得到的活化产物用2mol盐酸浸泡，浸泡时间7小时，过滤，洗涤至中性，干燥后得到具有分级多孔结构的皮革基电容炭，皮革基电容炭材料制备过程的原理图和实物图分别如图2、3所示。
如图4(b)所示，本实施例制备的皮革基电容炭具有分级多孔结构。经计算比表面积为2968m2g-1。将皮革基电容炭材料制作成三电极超级电容器，如图6和7所示，通过计算在6mol KOH溶液中使用循环伏安法测试，比电容为249.1F g-1；如图8所示，在电流密度0.5A/g-50A/g进行恒流充放电测试，电极的比电容保持率为70％。
实施例3
(1)将蓝湿革屑干燥、粉碎；
(2)将上述步骤(1)中处理后的含铬革屑在氮气条件下炭化3小时，炭化温度为400℃，得到氧化铬-碳复合物；
(3)取上述步骤(2)中得到的氧化铬-碳复合物1g，取溴酸钾1g，进行混合，加入至200ml三角瓶中，冷凝回流15小时，过滤，洗涤，干燥得到模板碳，滤液为含铬溶液；
(4)取上述步骤(3)中得到的模板碳3g，氢氧化钾9g，混合均匀，控制反应温度800℃、升温速度5℃/min，反应时间1小时，进行活化，得到活化产物；
(5)将上述步骤(4)得到的活化产物用2mol硝酸浸泡，浸泡时间7小时，过滤，洗涤至中性，干燥后得到具有分级多孔结构的皮革基电容炭，皮革基电容炭材料制备过程的原理图和实物图分别如图2、3所示。
如图4(c)所示，本实施例制备的皮革基电容炭具有分级多孔结构。经计算比表面积为2182m2g-1。将皮革基电容炭材料制作成三电极超级电容器，如图6和7所示，通过计算在6mol KOH溶液中使用循环伏安法测试，比电容为190.4F g-1；如图8所示，在电流密度0.5A/g-50A/g进行恒流充放电测试，电极的比电容保持率为68％。
实施例4
(1)将蓝湿革屑干燥、粉碎；
(2)将上述步骤(1)中处理后的含铬革屑在氮气条件下炭化3小时，炭化温度为500℃，得到氧化铬-碳复合物；
(3)取上述步骤(2)中得到的氧化铬-碳复合物2g，溴酸钾1g，进行混合，加入至200ml三角瓶中，冷凝回流12小时，过滤，洗涤，干燥得到模板碳，滤液为含铬溶液；
(4)取上述步骤(3)中得到的模板碳3g，氢氧化钠3g，混合均匀，控制反应温度700℃、升温速度5℃/min，反应时间2小时，进行活化，得到活化产物；
(5)将上述步骤(4)得到的活化产物用2mol硫酸浸泡，浸泡时间7小时，过滤，洗涤至中性，干燥后得到具有分级多孔结构的皮革基电容炭，皮革基电容炭材料制备过程的原理图和实物图分别如图2、3所示。
如图4(d)所示，本实施例制备的皮革基电容炭具有分级多孔结构。经计算比表面积为1397m2g-1。将皮革基电容炭材料制作成三电极超级电容器，如图6和7所示，通过计算在6mol KOH溶液中使用循环伏安法测试，比电容为180.8F g-1；如图8所示，在电流密度0.5A/g-50A/g进行恒流充放电测试，电极的比电容保持率为67％。
经XPS对制备的皮革基电容炭进行元素分析，如下表所示：
从上表可以看出，本发明制备的皮革基电容炭材料中含有氧元素和氮元素，氧、氮掺杂将为超级电容器提供必要的亲水性和额外的电容，在水性电解质中的氧官能团主要发生在以下反应中：
同时，氮官能团在水性电解质中主要发生在以下反应中：
以蓝湿革屑为原料，通过高温炭化含铬革屑、溶解氧化铬模板和碱液化学活化，最终制备出具有氧、氮掺杂的高表面积的分级多孔碳结构，由于皮革固体废物主要成分为胶原蛋白，并含有丰富的C、O、N元素，且含有Cr(III)，这些特性使得以含铬革屑作为前驱体制备具有氧、氮掺杂的高比表面积的多孔碳具有较大的优势，将大量废弃的含铬革屑资源化利用，可以极大的降低商业多孔碳的生产成本，有利于大规模的生产应用，同时具有操作简单、绿色环保等特点。
本发明采用高温碳化含铬革屑、溶解氧化铬模板和碱性物质化学活化来制备具有氧、氮掺杂的高表面积的分级多孔碳，得到了多级孔结构的皮革基电容炭的比表面积为1397-3211m2g-1，可以作为制备电解液为水系或有机系的电容器材料，制得的电容器材料在电解液中具有优良的比电容和功率特性。这些性能使本发明制备的皮革基电容炭材料成为高性能超级电容器的碳质材料的新生物质来源。
Claims (10)
1.一种皮革基电容炭材料，其特征在于，所述皮革基电容炭材料以蓝湿革屑为前驱体制得，含有氧元素和氮元素，具有分级多孔结构。
2.根据权利要求1所述的皮革基电容炭材料，其特征在于，所述皮革基电容炭材料的比表面积为1397～3211m2g-1。
3.根据权利要求1所述的皮革基电容炭材料，其特征在于，所述蓝湿革屑来源于皮革加工工业废弃物。
4.一种皮革基电容炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将蓝湿革屑干燥、粉碎，得到粉末革；
(2)将粉末革炭化，得到氧化铬-碳复合物；
(3)将氧化铬-碳复合物与溴酸钾以质量比为(1～4)：1进行混合，加热并冷凝回流10-15小时，过滤、洗涤、干燥得到模板碳，滤液为含铬溶液；
(4)将模板碳与碱性物质以质量比为1：(1～3)混合，升温至700～900℃，并在氮气保护条件下进行活化反应，得到活化产物；
(5)将活化产物用酸液浸泡2～10小时，过滤，洗涤至中性，干燥后得到具有分级多孔结构的皮革基电容炭材料。
5.根据权利要求4所述皮革基电容炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，炭化在通氮气条件下进行，炭化温度为400～600℃。
6.根据权利要求4所述的皮革基电容炭的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，升温速度为5℃/min，活化反应时间为1～2h。
7.根据权利要求4所述的皮革基电容炭的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，碱性物质采用氢氧化钾或氢氧化钠。
8.根据权利要求4所述的皮革基电容炭的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，酸液采用盐酸、硫酸或硝酸。
9.根据权利要求4所述的皮革基电容炭的制备方法，其特征在于，将步骤(3)得到的含铬溶液进行回收利用。
10.权利要求1～3所述的皮革基电容炭材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114496584A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-05-13 | 武汉大学 | 一种基于牙齿的导电材料及其制备方法和应用 |
| CN116216717A (zh) * | 2023-05-09 | 2023-06-06 | 四川大学 | 活性炭和低温scr脱硝催化剂的制备方法以及烟气脱硝方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103145126A (zh) * | 2013-03-30 | 2013-06-12 | 山东大学 | 一种以废皮革为原料微波法制备活性炭的方法 |
| CN104386685A (zh) * | 2014-10-22 | 2015-03-04 | 北京化工大学 | 一种由富氮生物质原料制备氮掺杂活性炭的方法 |
| CN105575673A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-05-11 | 北京化工大学 | 一种氮氧原位掺杂的多孔炭电极材料的制备方法及其应用 |
| CN108658071A (zh) * | 2017-03-31 | 2018-10-16 | 北京化工大学 | 一种以铬皮为原料的生物质多孔炭及其制备方法和应用 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103145126A (zh) * | 2013-03-30 | 2013-06-12 | 山东大学 | 一种以废皮革为原料微波法制备活性炭的方法 |
| CN104386685A (zh) * | 2014-10-22 | 2015-03-04 | 北京化工大学 | 一种由富氮生物质原料制备氮掺杂活性炭的方法 |
| CN105575673A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-05-11 | 北京化工大学 | 一种氮氧原位掺杂的多孔炭电极材料的制备方法及其应用 |
| CN108658071A (zh) * | 2017-03-31 | 2018-10-16 | 北京化工大学 | 一种以铬皮为原料的生物质多孔炭及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YONG WANG ET AL.: "Preparation of novel pigskin-derived carbon sheets and their low-temperature activation-induced high capacitive performance", 《RSC ADV.》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114496584A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-05-13 | 武汉大学 | 一种基于牙齿的导电材料及其制备方法和应用 |
| CN114496584B (zh) * | 2022-02-24 | 2022-11-18 | 武汉大学 | 一种基于牙齿的导电材料及其制备方法和应用 |
| CN116216717A (zh) * | 2023-05-09 | 2023-06-06 | 四川大学 | 活性炭和低温scr脱硝催化剂的制备方法以及烟气脱硝方法 |
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