CN111785535B - 一种自活化高比电容碳微米管电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自活化高比电容碳微米管电极材料的方法，包括如下步骤：取钾肥培育的法国梧桐树球果，干燥完成后，将球果用刀具划开，取其绒毛状果毛，得到初始材料。将上述经过预处理的材料置于管式炉内，恒温煅烧活化一段时间后可得到所需材料，是一种简单高效的制备方法。本发明属于新型绿色能源领域，因为材料本身的钾元素自活化的能力，该方法制备的碳电极材料具有高的比表面积，在后续的测试中表现出了优异的电化学性能，在新型绿色能源领域具有巨大的潜力。
Description
技术领域
本发明提供一种利用梧桐树球果内绒毛作为制备自活化高比电容碳微米管电极材料的方法，属于新型绿色能源领域。
背景技术
因为超级电容器有着使用寿命长，功率密度高和充放电速率快，和维护成本低等特点，在便携式的电子产品，新能源电动汽车以及国防军事等领域都得到了广泛的应用。但现今的超级电容器在往往在高功率的情况下，会显著的降低自身的能量密度，这极大阻碍了超级电容器的推广与应用。因此研发在高功率情况下，仍能保持高能量密度的超级电容器已成为技术难题。
要想解决上述问题，最好的方法是通过改善超级电容器的电极材料性能，以达到提高功率密度和能量密度的目的。超级电容器可分为双电层电容器和法拉第赝电容电容器，其中双电层电容器的电极材料主要是碳材料（包括活性炭、碳气凝胶、碳纳米管等等）。而活性炭的原材料主要来源之一是生物质材料。本发明提供了一种利用梧桐树球果内毛絮内原有的中空管状结构，通过简单碳化处理制备自活化高比电容碳电极材料的方法。以梧桐絮作为制备碳电极材料的原料，不但可以解决原料供应问题，同时还具有一定的环保优势，最重要的是节约了成本。展现了在新型绿色能源领域的应用潜力以及良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用钾肥培育的梧桐树球果内毛絮内原有的中空管状结构，经过控制碳化处理过程，制备自活化高比电容碳电极材料的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案步骤如下：
一种自活化高比电容碳微米管电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）取钾肥培育的梧桐树球果，用去离子水冲洗球果表面的杂质，后放入到鼓风干燥箱中干燥，去除球果中的水分。
上述方案（1）特征在于，取钾肥培育的梧桐树球果，鼓风干燥箱中120℃干燥24h。
（2）干燥完成后，将球果用刀具划开，取其绒毛状果毛，去除种子，得到初始材料。
上述方案（2）特征在于，取干燥后球果内部绒毛状果毛，去除种子。
（3）将上述经过预处理的材料置于管式炉内，恒温煅烧两小时，待冷却至室温后取出，即得到所需材料。
上述方案（3）特征在于，管式炉内900℃氮气气氛中恒温煅烧两小时，升温速率和降温速率均为5℃/min。
（4）将材料制作成电极片并进行电化学性能测试。将材料：PTFE（聚四氟乙烯）：炭黑（CABDT）以一定比例在烧杯中使材料充分混合。超声混合后，放入鼓风干燥箱中烘干酒精。以泡沫镍作为集流体，裁剪的泡沫镍长条，将材料压成薄片后夹于泡沫镍中，通过对辊机压成电极片。然后对电极片进行电化学性能测试。
上述方案（4）特征在于，将材料：PTFE（聚四氟乙烯）：炭黑（CABDT）=9:0.5:0.5的比例在烧杯中使材料充分混合。超声混合15分钟后，放入鼓风干燥箱中70℃烘干酒精。以泡沫镍作为集流体，裁剪1.5cm×4cm的泡沫镍长条，将材料压成1cm×1cm的薄片后夹于泡沫镍中，通过对辊机压成电极片。
相比于其他制备碳电极材料的方法，本发明的特点在于：
（1）利用了钾肥培育的梧桐絮本身的中空管状结构，从而只需经过简单碳化便可以得到自活化高比电容的碳微米管电极材料。
（2）制备的电极材料具有自活化的特点，使碳电极材料本身具有高的比表面积，从而在电化学测试时，表现出高比电容的特点。
（3）原材料获取简单，且来源广泛，通过简单处理便可获得毛絮，进行下一步加工，适合工厂等进行大批量加工。
附图说明
图一是元素含量图。
图二是电极材料的CV图。曲线分别代表碳电极材料在相同循环不同扫描速率下CV曲线。
图三是电极材料的GCD图。分别代表在2A/g、3A/g、4A/g、5A/g、6A/g 、7A/g、 10A/g电流密度下的材料的比电容。
图四是材料的吸附脱附曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
取钾肥培育的梧桐絮的球果，用去离子水冲去球果表面杂质后，放入鼓风干燥箱中120℃干燥24h。将球果用刀具划开，取其绒毛状果毛，去除种子，得到初始材料。将上述经过预处理的材料置于管式炉内，在900℃氮气气氛中恒温煅烧两小时，升温速率和降温速率均为5℃/min,待冷却至室温后取出，即得到所需材料。
将样品分成三份，一份元素含量测试，测定材料的化学组成；一份电化学测试，在6mol/L的KOH溶液中，通过CHI 660E型电化学工作站，采用三电极测试体系测定制备的电极材料性能；最后一份用于BET测试，测试材料的比表面积，验证材料的自活化能力。
图一是元素含量图，由图中可以看出，材料本身含碳量达到了89%，可知经过碳化处理后所得材料几乎为纯碳材料；其次我们可以发现材料本身还富有钾元素，且碳化后钾元素不消失，他会对材料产生活化的效果，使材料具有高的比表面积，从而使材料在作为碳电极材料使用时有高的比电容。
图二是电极材料的CV图，从图中我们可以看出，图形整体趋向于矩形形貌，并且随扫描电流的增大，图形越接近矩形，理想超级电容器形貌为一中心对称的矩形，由此可以判断本碳电极材料优异的电荷和电解液离子迁移能力。
图三是电极材料的GCD图，充放电曲线近似于等腰三角形，说明材料具有良好的双电层电容特性。根据公式 C=IΔt/(mΔV)，可以分别计算出在2A/g、3A/g、4A/g、5A/g、6A/g、7A/g、 10A/g电流密度下的比电容分别为104.4F/g、99F/g、96.4F/g、95F/g、97.8F/g、96.6F/g、91F/g，可见随电流密度增加比电容变化不大，表现出了材料的稳定性。
图四是材料的吸脱附曲线，经过测试，材料的比表面积是1310m2/g，孔容是0.7361cm2/g,孔径是2.2479nm。由测试数据可以看出，材料因其自活化能力，具有高的比表面积，使其作为电极材料时可以产生高的比电容。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本技术领域的普通技术人员应当了解，本发明不受实施例限制，还可以做出若干修改和润饰，这些修改和润饰也在本发明要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种自活化高比电容碳微米管电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取钾肥培育的梧桐树球果，用去离子水冲洗球果表面的杂质，后放入到鼓风干燥箱中120℃干燥24h，去除球果中的水分；
(2)干燥完成后，将球果用刀具划开，取其绒毛状果毛，去除种子，得到初始材料；
(3)将上述经过预处理的材料置于管式炉内，在900℃氮气气氛中恒温煅烧两小时，升温速率和降温速率均为5℃/min,待冷却至室温后取出，即得到所需材料；
(4)将材料制作成电极片并进行电化学性能测试：
将材料：PTFE(聚四氟乙烯)：炭黑CABDT以一定比例在烧杯中使材料充分混合；超声混合后，放入鼓风干燥箱中烘干酒精；以泡沫镍作为集流体，裁剪的泡沫镍长条，将材料压成薄片后夹于泡沫镍中，通过对辊机压成电极片；在6mol/L的KOH溶液中，通过CHI 660E型电化学工作站，采用三电极测试体系对电极片进行电化学性能测试。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取钾肥培育的法国梧桐树球果，鼓风干燥箱中120℃干燥24h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取干燥后球果内部绒毛状果毛，去除种子。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，管式炉内900℃氮气气氛中恒温煅烧两小时，升温速率和降温速率均为5℃/min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将材料：PTFE(聚四氟乙烯)：炭黑CABDT＝9:0.5:0.5的比例在烧杯中使材料充分混合；超声混合15分钟后，放入鼓风干燥箱中70℃烘干酒精；以泡沫镍作为集流体，裁剪1.5cm×4cm的泡沫镍长条，将材料压成1cm×1cm的薄片后夹于泡沫镍中，通过对辊机压成电极片。
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