CN112820548B - 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用 - Google Patents

高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112820548B
CN112820548B CN202011627954.7A CN202011627954A CN112820548B CN 112820548 B CN112820548 B CN 112820548B CN 202011627954 A CN202011627954 A CN 202011627954A CN 112820548 B CN112820548 B CN 112820548B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cellulose
gel
solution
carbon material
cellulose solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011627954.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112820548A (zh
Inventor
蔺华林
严春阳
杨洋
李梦琰
李欣
袁铭霞
陈哲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technology
Original Assignee
Shanghai Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technology filed Critical Shanghai Institute of Technology
Priority to CN202011627954.7A priority Critical patent/CN112820548B/zh
Publication of CN112820548A publication Critical patent/CN112820548A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112820548B publication Critical patent/CN112820548B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/44—Raw materials therefor, e.g. resins or coal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及制备方法和应用，制备过程包括：通过NaOH溶液对纤维素溶液进行低温碱溶，得到纤维素碱溶液；将纤维素碱溶液离心分离去杂，取离心后获得的澄清液，干燥，凝胶，得到纤维素凝胶；将纤维素凝胶进行冻干，加入ZnCl2并分散进行活化；得到的表面有机锌化合物在惰性气体氛围下碳化，得到纤维素凝胶碳化物；将纤维素凝胶碳化物进行酸洗、去离子水洗至中性，烘干，得到纤维素溶液凝胶纳米碳材料。与现有技术相比，本发明得到的衍生的分级多孔活性炭材料具有独特性能，得到了高性能超级电容器理想的电极材料。

Description

高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用
技术领域
本发明涉及超级电容器电极材料制备领域，尤其是涉及一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用。
背景技术
环境保护和可再生能源转化存储仍然是当今世界的重要课题。能源供应是21世纪的人类必须面对的主要挑战，其储存和转化是否环境友好是必须考虑的方面。当今技术的巨大进步正在给我们的社会带来革命性的变化，然而伴随着电子和塑料废料的大量产生而来的是严重的环境问题。在过去的几十年中，便携式电子系统吸引了研究人员的注意力，用于开发储能设备如电池，超级电容器或燃料等。
其中，超级电容器利用离子吸附(电化学双层电容器)或快速表面氧化还原反应(赝电容器)来储存能量。超级电容器基于两种不同的工作机制，超级电容器可分为双电层电容器(EDLC)和法拉第伪电容器。前者通过电解质离子在电极/电解质界面上的静电吸附来执行，而后者则利用了某些过渡金属氧化物或氢氧化物表面上可逆的氧化还原反应的优势。从可持续发展的角度来看，纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，在能源等许多领域引起了广泛的关注。纤维素是可生物降解，亲水，不溶于水的材料，分子内和分子间存在大量氢键，并产生不同的纤维素结构。
因此如何大批量、工业化生产地将纤维素生物质原料应用于超级电容器电极材料中是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用，其中以纤维素作为碳前驱体，通过溶解，冻干，活化等方法，得到的衍生的分级多孔活性炭材料具有独特性能，得到了高性能超级电容器理想的电极材料，有利于纤维素生物质原料的大批量、工业化应用。
本技术方案的构思起点为：纤维素在大多数溶剂中的有出色稳定性，低毒性且具有天然丰度，透明性，低热膨胀，高弹性，各向异性以及与其他导电材料结合的能力。因其独特的结构和显着的特性成为一种可持续且有前途的纳米材料。它的环保特性，低成本，易得性和简单的合成技术使其成为制造绿色可再生能源存储设备的潜力材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是保护一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过NaOH溶液对纤维素溶液进行低温碱溶，得到纤维素碱溶液；
S2：将S1中获得的纤维素碱溶液离心分离去杂，取离心后获得的澄清液，干燥，凝胶，得到纤维素凝胶；
S3：将S2中得到的纤维素凝胶进行冻干，加入ZnCl2并分散均匀并在450～550℃下进行活化，得到表面有机锌化合物；
S4：将S3中得到的表面有机锌化合物在惰性气体氛围下碳化，得到纤维素凝胶碳化物；
S5：将S4中得到的纤维素凝胶碳化物进行酸洗、去离子水洗至中性，烘干，得到纤维素溶液凝胶纳米碳材料。
进一步地，S1中所述低温碱溶的过程中纤维素/NaOH/去离子的质量比：4:7：89。
进一步地，S1中所述低温碱溶过程中通过300-500r/min的搅拌促进溶解，搅拌时间为5-10min，搅拌的温度环境为-13℃。
进一步地，S2中所述离心分离去杂时采用的离心机转速为8000-10000r/min，离心时间为5min。
进一步地，S2中所述凝胶的加热温度为60-80℃，加热时间为8-12h。
进一步地，S3采用液氮进行冻干过程，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1。
进一步地，S4中所述碳化的温度为600-800℃，碳化时间为2-5h。
本发明的第二个目的是保护由上述制备方法得到的纤维素溶液凝胶纳米碳材料。
本发明的第三个目的是保护纤维素溶液凝胶纳米碳材料在超级电容器中的应用，将纤维素溶液凝胶纳米碳材料与碳黑和PTFE混合，并在超声氛围下进行分散，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
进一步地，所述纤维素溶液凝胶纳米碳材料、碳黑和PTFE的质量比为8:(0.8-1.2):(0.8-1.2)。
本发明得到的纤维素溶液凝胶多孔碳材料以2M H2SO4溶液作为电解液，选择三电极体系测定其电化学性能，三电极体系以Ag/AgCl电极作为参比电极，铂丝电极为对电极。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本发明提供了一种纤维素的溶液凝胶纳米碳材料的制备方法，所制备纤维素的溶液凝胶纳米碳材碳材料以微晶纤维素作为C源，将纤维素粉末与NaOH溶液混合，立即放在-13℃低温环境中防止NaOH溶液放热。在真空干燥箱中真空干燥，使其迅速形成凝胶并且避免空气污染，在500℃下与ZnCl2完成活化，锌离子离子和预碳化产物生成表面有机锌盐，对芳碳的表面电子云产生影响，从而增加材料的活性。然后对所得的产物在氮气的氛围下进行高温碳化，保持产物纯化。得纤维素溶液凝胶碳材料研磨后与碳黑和PTFE混合，再至于超声清洗器中超声混合，干燥，即得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
2)本技术方案所制备的纤维素溶液凝胶碳材料以微晶纤维素C源，活化剂ZnCl2在活化过程中有重要作用，可以作为模板促进碳骨架中孔和微孔的形成。活化过程中纤维素链通过分子间和分子内的氢键相互作用自聚集的同时氢键断裂构建了三维水凝胶，呈现分层多孔结构，是材料性能提升的重要因素之一。
3)本发明利用天然废弃物纤维素为碳前驱体，节约成本，廉价环保，电学性能测试CV图中形成两条闭合曲线且闭合面积较大说明，材料的电化学性能良好，完全可以实现纤维素原料的工业化推广。
附图说明
图1为实施例1制备的纤维素溶液凝胶纳米碳材料在10mVs-1的扫描速度下的CV图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为300r/min，时间为5min；
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为10000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为600℃，时间为5h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。从CV曲线可以看出曲线围成的面积很大，说明电化学性能良好。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在200左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例2：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为500r/min，时间为8min；
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60℃，时间为8h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行450℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为700℃，时间为2h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在210左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例3：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为500r/min，时间为10min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为800℃，时间为5h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在220左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例4：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200ml NaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为300r/min，时间为8min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行550℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为800℃，时间为3h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在210左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例5：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200mlNaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为500r/min，时间为10min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为800℃，时间为5h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料；
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1.2:0.8的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在190左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例6：
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200mlNaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为400r/min，时间为10min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为8h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为600℃，时间为2h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料。
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:0.8:1的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在210左右，说明此材料的电化学性能良好。
实施例7
1)取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，配制200mlNaOH溶液，将溶液预冷至-13℃，在低温状态下加入纤维素粉末并剧烈搅拌，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，磁力搅拌器的转速为300r/min，时间为5min。
2)离心分离得到纤维素澄清溶液置于真空干燥箱中加热使其凝胶化，离心分离的转速为8000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为80℃，时间为12h；
3)将2)中的凝胶冻干粉碎，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1，在氮气氛围下进行500℃的活化，后置于管式炉中直接高温碳化，高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为700℃，时间为2h；
4)将3)中煅烧后的样品用盐酸和去离子水洗涤至中性，置于真空干燥箱中烘干，温度为60℃干燥，时间为12h，即得到目的产物纤维素溶液凝胶碳材料，
5)将4)得到的碳材料研磨后与碳黑和PTFE按8:1:1的质量比混合，然后放入超声清洗器中进行超声混合，60℃干燥后12h，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
纤维素溶液凝胶碳材料电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的纤维素溶液凝胶碳电极进行电化学性能测试。工作电极为纤维素溶液凝胶多孔碳电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以2MH2SO4溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线。在0.5Ag-1的GCD图，峰值出现在220左右，说明此材料的电化学性能良好。
本发明在用于超级电容器的纤维素溶液凝胶碳材料的制备过程中，各工艺条件还可以根据需要在以下工艺范围内任意调整，均能实现较优的电极性能，其中：步骤(1)中，取8g微晶纤维素粉、NaOH固体粉末8g，纤维素/NaOH/去离子水溶液按照质量比：4:7：89，搅拌转速为300-500r/min，时间为5-10min；步骤(2)中，离心分离的转速为8000-10000r/min，时间为5min，凝胶化过程的加热温度为60-80℃，时间为8-12h，冻干前用液氮预冷处理；步骤(3)中，冻干前用液氮预冷处理，高温煅烧的工艺条件为：预碳温度为500℃，时间为2h；高温碳化在氮气气氛下进行，升温速率为5-10℃/min，温度为600-800℃，时间为2-5h。干燥温度为60℃，时间为12h。所得纤维素溶液凝胶碳材料研磨后与碳黑和PTFE混合，纤维素溶液凝胶碳材料、碳黑与PTFE的质量比为8:(0.8-1.2):(0.8-1.2)；再置于超声清洗器中超声混合，干燥，即得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过NaOH溶液对纤维素溶液进行低温碱溶，得到纤维素碱溶液；
S2：将S1中获得的纤维素碱溶液离心分离去杂，取离心后获得的澄清液，干燥，凝胶，得到纤维素凝胶，所述凝胶的加热温度为60-80℃，加热时间为8-12h；
S3：将S2中得到的纤维素凝胶进行冻干，加入ZnCl2并分散均匀并在450~550℃下进行活化，得到表面有机锌化合物，采用液氮进行冻干过程，加入ZnCl2的量与冻干后纤维素凝胶的质量比为1:1；
S4：将S3中得到的表面有机锌化合物在惰性气体氛围下碳化，得到纤维素凝胶碳化物；
S5：将S4中得到的纤维素凝胶碳化物进行酸洗、去离子水洗至中性，烘干，得到纤维素溶液凝胶纳米碳材料；
S1中所述低温碱溶的过程中纤维素/NaOH/去离子的质量比：4:7：89；
S1中所述低温碱溶过程中通过300-500r/min的搅拌促进溶解，搅拌时间为5-10min，搅拌的温度环境为-13℃；
S2中所述离心分离去杂时采用的离心机转速为8000-10000r/min，离心时间为5min；
S4中所述碳化的温度为600-800℃，碳化时间为2-5 h。
2.一种由权利要求1所述制备方法获得的纤维素溶液凝胶纳米碳材料。
3.一种权利要求2中纤维素溶液凝胶纳米碳材料在超级电容器中的应用，其特征在于，将纤维素溶液凝胶纳米碳材料与碳黑和PTFE混合，并在超声氛围下进行分散，得到用于超级电容器的纤维素溶液凝胶的电极材料。
4.根据权利要求3所述的一种纤维素溶液凝胶纳米碳材料在超级电容器中的应用，其特征在于，所述纤维素溶液凝胶纳米碳材料、碳黑和PTFE的质量比为8:(0.8-1.2):(0.8-1.2)。
CN202011627954.7A 2020-12-30 2020-12-30 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用 Active CN112820548B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011627954.7A CN112820548B (zh) 2020-12-30 2020-12-30 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011627954.7A CN112820548B (zh) 2020-12-30 2020-12-30 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112820548A CN112820548A (zh) 2021-05-18
CN112820548B true CN112820548B (zh) 2023-02-10

Family

ID=75856244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011627954.7A Active CN112820548B (zh) 2020-12-30 2020-12-30 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112820548B (zh)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03201517A (ja) * 1989-12-28 1991-09-03 Isuzu Motors Ltd 電気二重層コンデンサ
FR2767541B1 (fr) * 1997-08-21 1999-10-08 Hutchinson Matiere spongieuse, son procede de fabrication et ses applications
CN102134069B (zh) * 2010-11-18 2012-11-21 安徽丰原发酵技术工程研究有限公司 一种活性炭的制备方法
CN103803547B (zh) * 2014-02-17 2015-12-02 江苏竹海活性炭有限公司 一种利用甘蔗渣制备食品卫生级活性炭的方法
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
CN106601990B (zh) * 2016-12-26 2019-06-21 南京理工大学 一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、锂硫电池及其制备方法
EP3591018A1 (en) * 2018-07-06 2020-01-08 Borregaard AS Microfibrillated cellulose for controlling viscosity and gel temperature in starch-based adhesives
CN108586817A (zh) * 2018-05-24 2018-09-28 广东迪奥应用材料科技有限公司 填充SiO2/纤维素杂化冻干胶的碳冻干胶的制备方法
CN111072026A (zh) * 2020-01-20 2020-04-28 上海应用技术大学 一种半纤维素基氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN112820548A (zh) 2021-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gong et al. Shape-controlled synthesis of Ni-CeO2@ PANI nanocomposites and their synergetic effects on supercapacitors
Lin et al. Facile synthesis of chitosan-based carbon with rich porous structure for supercapacitor with enhanced electrochemical performance
CN110921721B (zh) 一种基于金属有机框架衍生的双金属氢氧化物的制备及应用
CN111320172B (zh) 一种含微孔-介孔孔道的生物质活性炭基电极材料的定向合成方法及其应用
CN105111507A (zh) 一种细菌纤维素/聚苯胺/碳纳米管导电膜材料的制备方法及其应用
CN105118688A (zh) 一种细菌纤维素/活性碳纤维/石墨烯膜材料的制备方法及其应用
CN105140042B (zh) 一种细菌纤维素/活性碳纤维/碳纳米管膜材料的制备方法及其应用
CN111118883A (zh) 一种纤维素基碳纳米纤维复合材料及其制备和应用
CN104176783A (zh) 一种氮碳材料包覆二氧化锰纳米线的制备及应用方法
CN111710529B (zh) 一种Co/Mn-MOF/氮掺杂碳基复合材料及其制备方法与应用
CN108878167A (zh) 一种超级电容器用CoNi2S4/石墨烯复合材料及其制备方法
CN110707323A (zh) 一种阴离子扩层碳材料及其制备方法和应用
CN109003828B (zh) 小麦秸秆衍生的多孔生物质炭电极材料及其制备方法
CN111430153B (zh) 一种用于全固态超级电容器的碳纳米气凝胶材料及其制备方法与应用
CN112820548B (zh) 高性能纤维素溶液凝胶纳米碳材料及其制备和应用
CN105060287A (zh) 一种超级电容器用相互连接的且卷起的网状石墨烯材料的制备方法
CN111704133A (zh) 一种自支撑多孔碳电极材料的制备方法
CN113120897B (zh) 一种无溶剂法制备氮掺杂微孔碳电极材料的方法
CN104882294A (zh) 一种高比表面积的多孔秸秆基电极材料及其制备方法
CN112837947B (zh) 无机-纤维素原料制备的氮硫共掺杂层状多孔碳杂化材料及制备和应用
CN111196603B (zh) 氨基酚醛树脂基吡咯氮掺杂碳电极材料的制备方法
CN109824048B (zh) 一种氮-磷共掺杂碳基材料的制备及其在超级电容器方面的应用
CN109087816B (zh) 一种电极复合材料及其制备方法与应用
CN106683895A (zh) 蒽醌基修饰复合电极材料及其制备方法和应用，以及包含该材料的电子元器件
CN112908721A (zh) 一种多孔炭/Ni(OH)2复合电极材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant