CN113603088A - 一种高比表活性炭、超级电容电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高比表活性炭及其制备方法和用途，以及提供了一种超级电容电极及其制备方法，高比表活性炭，以烟叶为碳源，利用K₂CO₃一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m²/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm³·g^‑1；在所述高比表活性炭中添加导电剂和粘结剂制作而成。本发明以废弃烟叶为碳源，使用K₂CO₃一步法活化法成功地制备了多孔碳。方法活化条件温和，反应过程易控制，大大减少了能耗和设备腐蚀。制备的多孔碳具有丰富的三维孔道结构，比表面积高。电化学测试中，制备的多孔碳表现出较高的比电容、高能量密度和良好的循环稳定性。本发明将废弃烟叶转化为一种新的生产活性炭的资源，可以应用于高性能超级电容器。

Description

一种高比表活性炭、超级电容电极及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种活性炭和该活性炭的制备方法及用途，本发明还涉及一种超级电容电极，该电极材料包括所述活性炭。

背景技术

近年来，伴随着全球经济的快速发展、全球人口的增长，煤炭、石油等不可再生化石燃料资源日益短缺，这给现代社会的可持续发展带来了严重的危机。因此，开发和高效利用清洁和可持续能源：例如太阳能、风能等，是解决上述挑战的最有希望的解决办法。但这些能源的高效利用往往都需要先进的储能系统。

超级电容器作为一种新型储能器件，因其循环寿命长(>10万次)、充放电效率高、功率密度高及其良好的低温特性受到科学家和工程师的极大关注。

根据其储能机制不同，超级电容器可以分为两类：双电层超级电容器(EDLCs)和赝电容超级电容器(Pseudocapacitors)。对于前者，电荷是通过离子在活性材料近表面的静电相互作用吸附而储存的；而赝电容的能量储存/释放机制是通过还原反应、离子插入/挤压和潜在沉积来实现的。与赝电容超级电容器相比，虽然EDLCs能量密度偏低，但其稳定性好，循环效率和充放电倍率更高。在组成超级电容的部件中，电极材料决定着电容器的主要性能参数，占超级电容总成本的30％以上。

根据EDLCs的储电原理，高比表面积和优异的导电性会显著提高电容器的电容量。

碳基材料因为其成本低，来源广泛，具有高比表面积、低电阻、良好的极性和可控孔径大小等优点，具有更可持续的未来。

生物质材料可再生、来源广泛且价格低廉，是制备多孔碳材料的首选碳源。截至目前，大量的由动植物衍生而来的生物质材料被研究用作制备活性炭的碳源，例如稻壳，椰壳，柳絮等。碳材料中微孔的存在可以显著增加特定表面积，在增强特定电容方面起着关键作用。

然而，具有复杂孔隙结构的微孔对碳材料的电化学性能没多大益处。研究表明，超微孔 (<0.70纳米)可能通过低电流密度的离子溶解而导致相对较高的特定电容，但这些孔隙无法以高放电率进入，导致比表面积有效利用率低，电化学性能不甚理想。

因此，有必要进一步研究探索新的生物质材料作为碳源，开发具有高比表面积、合理孔径分布的多孔碳材料，以更好满足超级电容器的应用需求。这是本发明的目的之一。

我国是世界上最大的烟叶生产国，每年烟草生产会产生大量烟草废弃物。若对烟草废料进行“资源化”利用，不仅可以使这部分废物变为宝贵的资源，而且能提高烟农的经济收入，促进我国“两烟”产业的健康发展，也符合国家固体废弃物“资源化”的方针。现有技术中，出现了使用水热法将烟草制备成前驱体，然后通过KOH活化，用作超级电容器的电极材料，取得了较好的性能，但整个制备时间较长，且KOH活化剂对设备腐蚀性较强。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

1、现有的电极材料用碳源，比表面积较低，孔径分布不够合理，超级电容器的应用需求没有得到满足；

2、现有超级电容器的电极材料电容量还有待进一步提高。

3、现有电极材料用碳源的制备工艺中，工艺复杂，不容易控制，且使用的活化剂对设备腐蚀性较强，能耗高。

发明内容

鉴于此，本发明目的之一在于提供一种具有高比表面积的活性炭，该活性炭不仅比表面积高，而且总孔容大，具有丰富的微孔结构。

本发明的目的之二在于提供一种前述活性炭的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种前述活性炭作为电容电极材料的用途。

本发明的目的之四在于提供一种超级电容电极。

本发明的目的之五在于提供一种前述超级电容电极的制备方法。

发明人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种高比表活性炭，其特征在于，以烟叶为碳源，利用K₂CO₃一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m²/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm³·g^-1。

根据本发明高比表活性炭的一个实施方式，所述活性炭的比表面积为2058m²·g^-1，总孔容1.20389cm³·g^-1，微孔范围0.74-2nm。

本发明还提供了一种前述高比表活性炭的制备方法，步骤如下：

S101：将烟叶清洗干净，并干燥处理；将干燥后的烟叶粉碎，过筛后收集备用；

S102：将无水碳酸钾与烟草粉末按预设比例混合，充分研磨，

S103：将研磨后的样品置于坩埚中，在惰性气体保护下，于活化炉中活化；

S104：冷却后取出样品；用稀盐酸除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。

根据本发明高比表活性炭的制备方法优选的实施方式，具体步骤如下：

S101：选用烟叶，用清水反复清洗干净，并在40～90℃烘箱中干燥5～12h，将干燥后的废弃烟叶使用粉碎机破碎，过100目筛后收集备用；

S102：无水碳酸钾与烟草粉末按质量比为(1～5)：1的比例混合，充分研磨

S103：将研磨后的样品置于舟形坩埚中，在氩气气氛保护下，于管式炉中从室温以10℃/min的升温速率加热到800～900℃，恒温50～80min，

S104：加入1M的稀盐酸搅拌10～15h，除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。

根据本发明高比表活性炭的制备方法优选的实施方式，所述步骤S104还包括水洗步骤：冷却后取出样品，先使用蒸馏水或去离子水水洗后，再使用稀盐酸酸洗；水洗液重结晶得到 K₂CO₃。本发明还提供了一种超级电容电极，在前述高比表活性炭中添加导电剂和粘结剂制作而成。

根据本发明超级电容电极的一个优选实施方式，所述活性炭、导电剂和粘结剂质量比为 8：1：1。

根据本发明超级电容电极的一个优选实施方式，所述导电剂为炭黑；所述粘结剂为聚四氟乙烯。

本发明还提供了一种前述超级电容电极的制备方法，顺次包括以下步骤：

S201：将所述活性炭、导电剂及粘结剂按预设质量比混合；

S202：移取预设体积的无水乙醇加入S201所得混合物；

S203：超声处理10～60min；

S204：将超声处理后的混合物涂覆在泡沫镍集电极上；

S205：涂覆完的电极在真空干燥箱中100～150℃下干燥6～15h，使用5～20Mpa压力压制成片；

S206：将压制片置于电解液中浸泡5～20h，得到超级电容电极。

根据本发明超级电容电极的制备方法的一个优选实施方式，顺次包括以下步骤：

S201：将所述活性炭、导电剂及粘结剂按8:1:1的质量比混合；

S202：每5mgS201所述混合物，移取1ml无水乙醇加入S201所得混合物；

S203：超声处理30min；

S204：用移液枪将超声处理后的混合物涂覆在1cm²泡沫镍集电极上；

S205：涂覆完的电极在真空干燥箱中120℃下干燥12h，使用10Mpa压力压制成片；

S206：将压制片置于6M的KOH溶液中浸泡12h，得到超级电容电极。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：

a)本发明中高比表活性炭具有丰富的孔结构，其中大孔相互联通，形成了三维网状结构，并延伸到了颗粒内部，有利于电解液离子向内表面扩散，孔壁上密布的微孔和介孔为电荷提高了低电阻的离子通道和存储的巨大比表面积。

b)本发明活性炭的一个实施方式中，微孔范围集中在0.74-2nm，这个范围内的孔径有利于双电层电容的形成和电解液离子的运输。

c)本发明活性炭的一个实施方式中，活性炭比表面积高达2058m²·g^-1，比活化前提高了近20倍；总孔容1.20389cm³·g^-1，比活化前提高了近10倍，活化效果显著。

d)mapping图像表明O、S元素均匀密布在本发明中高比表活性炭的碳骨架上，科学验证了利用生物质前驱体制备活性炭材料时得到的杂原子天生具有均匀分布的特点，研究显示这些元素可以有效改善碳材料的疏水特性，有利于电解液离子的传输，电化学性能的提高。

e)本发明活性炭制备方法中，活化产生的大量孔洞破坏了样品中石墨微晶结构，降低了材料的石墨化程度。

f)本发明活性炭制备方法的一个实施方式中，先使用蒸馏水或去离子水水洗后，再使用稀盐酸酸洗，一方面，可以从水洗液中回收大量K₂CO₃，另一方面，能够大大减少酸洗环节中酸的用量。

g)本发明超级电容电极制作的超级电容，电化学可逆性较好，在充电转为放电的时，几乎观察不到IR降，具有很小的等效串联电阻和很高的充放电效率。

h)本发明超级电容电极的一个实施方式中，通过该电极制作超级电容，在电流密度为0.5A/g时单位电容量为350.1F/g，当电流密度增加到10A/g时，电极的单位电容量保持在292F/g，容量保持率达到83.4％，有良好的倍率性能。在电流密度10A/g时循环充放电2000次，材料的电容量仍保有初始电容的97.3％，电极材料具有非常好的循环稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1a～c是本发明实施例中YC-0的SEM图像；图1d、图1e、图1f是本发明实施例中YC-3的SEM图像；图1g～i是本发明实施例中YC-5的SEM图像；图1j、图1k、图1l是本发明实施例中YC-3对应的各元素mapping图像。

图2a是本发明实施例中YC-0与YC-3的XRD图谱；图2b是本发明实施例中YC-0与YC-3的拉曼图谱。

图3a是本发明实施例中YC-3的XPS图谱，图3b是对应的精细图谱C1s，图3c是对应的精细图谱O1s。

图4a是本发明实施例中氮气吸—脱附等温线，图4b是孔径分布。

图5a是不同活化比的样品在50mV/s扫描速率下的伏安特性曲线，图5b是不同活化比的样品的比电容量。

图6a是本发明实施例中YC-3电极在不同扫描速度下的伏安特性曲线；图6b是本发明实施例中YC-3电极在不同电流密度下恒电流充放电曲线；图6c是本发明实施例中10A/g下电极循环充放电2000次后电容量的保持量。

具体实施方式

下面结合附图与一个具体实施例进行说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

本发明实施例中，使用的原料与试剂、仪器设备参考如下：

原料与试剂

本发明实施方式中使用的废弃烟叶来自四川省烟草公司；聚四氟乙烯分散乳液(PTFE) 固含量60％(日本大金)；导电碳黑(日本Lion)；泡沫镍(赛博电化学材料网)，无水碳酸钾(成都金山化学试剂有限公司)；氢氧化钾(成都市科隆化学品有限公司)；无水乙醇(成都金山化学试剂有限公司)；上述试剂均为分析纯。

仪器设备

电化学工作站CS2350H(武汉科思特仪器股份有限公司)；管式炉(合肥科晶材料技术有限公司)；数控超声波清洗器KQ-250DE(昆山市超声仪器有限公司)；分析天平BSA22S(广州市深华生物技术有限公司)；高速多功能粉碎机(永康市铂欧五金制品有限公司)。

在实现本发明的过程中，上述原料与试剂、仪器设备可以用同类产品进行替代。

本实施例中，使用扫描电子显微镜(SEM JSM-7500F)对材料的形貌进行分析，并使用元素分布图(SEM-Mapping)表征材料表面的元素分布情况。

本实施例中，采用X射线光电子能谱仪(XPS)(AXIS Ultra DLD)对样品进行表征，以获取材料的元素组成、元素的相对含量和元素的结合形式。

本实施例中，采用X射线衍射(XRD)(XRD-6100)对样品的结晶结构进行分析，确定无定形碳的特征。

本实施例中，材料的比表面积(BET)通过氮吸附测定，测定仪器为彼奥德KUBO-X1000 比表面仪。

本实施例中，拉曼光谱通过拉曼光谱仪LabRAM HR型在532nm波长的激光激发下测得。

实施例1

本实施例中，高比表活性炭是以烟叶为碳源，利用K₂CO₃一步法活化得到。所述活性炭的比表面积为1800～2300m²/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm³·g^-1。

本实施例推荐方案中所述活性炭(YC-3)的比表面积为2058m²·g^-1，总孔容1.20389cm³·g^-1，微孔范围0.74-2nm。

YC-3的SEM图像如图1d、图1e、图1f所示。

实施例2

本实施例提供了一种前述高比表活性炭的制备方法，该方法用于制备实施例1所述高比表活性炭。具体步骤如下：

预处理。将废弃烟叶用清水反复清洗干净，并在80℃烘箱中干燥12h，以除去其中的杂质和水分；将干燥后的废弃烟叶使用粉碎机破碎，过100目筛后收集备用。

一步活化。将烟草粉末置于研钵中，加入相应质量的无水碳酸钾(活化剂无水碳酸钾与烟草粉末的质量比分别为0:1，1:1，2:1，3:1，4:1，5:1)，充分研磨，使其混合均匀。将混合后的样品置于舟形坩埚中，在氩气气氛保护下，于管式炉中从室温以10℃/min的升温速率加热到850℃，恒温60min，待管式炉内的温度降到接近室温，取出活化后的样品。将得到的样品放入烧杯中，加入1M的稀盐酸搅拌12h以除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥后即得到最终产品。在大规模生产中，加入1M的稀盐酸酸洗前还可以增加水洗步骤，即使用蒸馏水或去离子水水洗后，分离出水洗液，样品中再添加稀盐酸进行酸洗。水洗液重结晶得到K₂CO₃，K₂CO₃可以重复利用。并且增加水洗步骤后，可以大幅降低酸的用量。

为方便表述，将所得样品标记为YC-x(x为无水碳酸钾与烟草粉末的比例，x＝0～5)。

参见图1a、图1b、图1c是本发明实施例中YC-0的SEM图像；图1d、图1e、图1f是本发明实施例中YC-3的SEM图像；图1g、图1h、图1i是本发明实施例中YC-5的SEM图像。扫描电镜显示：废弃烟叶直接热解的碳材料，表面光滑，观察不到明显的空洞结构。使用K₂CO₃活化后，样品YC-3出现了丰富的孔结构，其中大孔相互联通，形成了三维网状结构，并延伸到了颗粒内部，有利于电解液离子向内表面扩散，孔壁上密布的微孔和介孔为电荷提高了低电阻的离子通道和存储的巨大比表面积。继续增加K₂CO₃的用量，YC-5相对YC-3 完整的孔洞结构发生了坍塌，孔壁上的微孔也少了很多，这说明过度活化会破坏孔的结构，减小材料的比表面积。

图1j、图1k、图1l是本发明实施例中YC-3对应的各元素mapping图像。YC-3对应的mapping图像表明O，S元素均匀密布在碳骨架上，验证了利用生物质前驱体制备活性炭材料时得到的杂原子天生具有均匀分布的特点，研究显示这些元素可以有效改善碳材料的疏水特性，有利于电解液离子的传输，电化学性能的提高。

为了进一步研究样品的晶体结构，对样品YC-0和YC-3进行XRD测试和Raman测试，如图2a所示XRD图谱，两样品在2θ＝26°和2θ＝44°处均表现出较宽的衍射峰，它们分别对应石墨(002)和(100)晶面，这说明活性炭(无定型碳)出现了一定的石墨微晶结构。随着活化剂的使用，YC-3在2θ＝44°处的峰强度变弱，这是由于活化产生的大量孔洞破坏了样品中石墨微晶结构，降低了材料的石墨化程度，也从另一个方面证明了活化效果，这与图1e SEM图像相吻合。

用N₂吸附-脱附对碳材料的孔结构进行进一步分析，图4a图示出了氮气吸—脱附等温线，图4b图示出了孔径分布。图4a图所示两曲线均呈现出Ⅳ型的吸附等温线，当相对压力较低时(P/P₀<0.05)，吸附曲线较陡，吸附快速发生，表明多孔炭中有大量微孔结构；中等压力(0.2< P/P₀<0.9)时，N₂的吸附量稍有增加，此时出现H4型滞后环，说明存在大量的介孔结构并且没有发生孔堵塞现象。在高相对压力下，吸附等温线的末尾，吸附量急剧上升，这是由于毛细现象使得氮气冷凝液而吸附量增加。

图4b所示孔径分布图表明活化后，微孔数量明显增加，说明活化会刻蚀出新的微孔，微孔范围集中在0.74-2nm，这个范围内的孔径有利于双电层电容的形成和电解液离子的运输。分别采用HK法和BJH法计算活性炭的微孔和介孔分布，从表1可以看出活化后的YC-3比表面积高达2058m²·g^-1，比活化前提高了近20倍；总孔容1.20389cm³·g^-1，比活化前提高了近10倍，活化效果显著。

表1废弃烟叶衍生多孔碳的孔隙特性

实施例3

一种实施例1所述高比表活性炭的用途，也即是实施2制备得到的高比表活性炭，用作超级电容电极材料。

图2b所示的拉曼图谱更清晰地显示了样品石墨化程度的差异：光谱显示碳材料出现了两个较强的峰和一个钝峰，即D峰(无序峰)(1340cm^-1)和G峰(石墨峰)(1580cm^-1)，2D峰(2760cm^-1)，D峰强度可以表征C原子的晶格的缺陷程度，G峰则由C原子sp2杂化的面内伸缩振动引发，2D峰用于表征样品中C原子的堆垛方式。多孔碳样品的I_D/I_G比值由YC-0 的0.98上升到YC-3的1.02，说明活化过程降低了材料的石墨化程度，增加了C原子的缺陷程度，这会使电子更容易传导，提高电极的循环效率。

运用XPS对样品的表面元素分布及其元素的化学状态进行表征。根据XPS测试结果可以得出，制备的碳材料不仅含有碳元素，还含有氧元素和微量的硫元素。采用Avantage软件对材料的C1s和O1s进行分峰拟合。图3b所示的C1s谱图显示出现了3个峰，分别对应石墨碳(1)C-C(284.6eV)，(2)C-O(285.9eV)，(3)C＝O(287.6eV)，验证了碳材料的部分石墨化。图3c所示的O1s谱图可拟合出3部分，分别对应(1)醌类(C＝O,O-I,531.4eV)，(2) 醚基(C-O-C,O-II,532.1eV)，(3)羧基(-COOH,O-III,533.6eV)，这些含氧官能团不仅改善了材料表面润湿性而且带来了额外的赝电容，从而提高了材料的电容量。下面是不同含氧基团可能的反应机理：

实施例4

本实施例所描述的一种超级电容电极，在实施例1所述高比表活性炭中添加导电剂和粘结剂制作而成。所述活性炭、导电剂和粘结剂质量比为8：1：1。所述导电剂为炭黑；所述粘结剂为聚四氟乙烯。

实施例5

本实施例所描述的一种前述超级电容电极的制备方法，顺次包括以下步骤：

将实施例1所述活性炭、导电剂及粘结剂按8:1:1的质量比混合；取5mg混合料。

在5mg混合料中添1ml无水乙醇稀释；超声处理30min；用移液枪将超声处理后的混合物涂覆在1cm²泡沫镍集电极上；涂覆完的电极在真空干燥箱中120℃下干燥12h，使用10Mpa 压力压制成片；将压制片置于6M的KOH溶液中浸泡12h，得到超级电容电极。

超级电容电极作为工作电极进行电化学测试。以铂片(1cm×1cm)作为对电极，Ag/AgCl 电极为参比电极，6M KOH溶液为电解液，在三电极体系下测试YC-x的电化学性能。比电容(Cg，F/g)可由不同扫速下的循环伏安曲线计算得到，计算方程如下：

式(2-1)中:C表示质量比电容量(F/g)，m表示工作电极中多孔碳的质量(g)，s表示扫描速率(mV/s)，Vc和Va表示最高和最低窗口电压(V)，I是响应电流(A)。

循环伏安法是研究超级电容器电化学性能最常用、最简捷的测试手段。根据循环伏安曲线特性，发明人试验了电极上的氧化还原反应，计算出电极活性物质电容、电阻等电化学性质。本实施例选用6mol/L的KOH溶液作为电解液，采用三电极体系研究活化剂K₂CO₃含量对样品电容性能的影响，为避免电解液分解(水的分解电压为1.2V)，测试电压窗口为-1-0V。不同比例活化比(K₂CO₃与废弃烟叶粉末的质量比)的样品在50mV/s扫描速率下的曲线(图 5a)显示：六组烟草基活性炭都表现出良好的对称性，曲线类似矩形形状，无氧化峰出现，这说明电极基本没有赝电容的存在，属于典型的双电层电容，随着活化比的增加，闭合曲线的面积呈现先增加后降低的趋势，YC-3所围成的曲线面积最大。

根据公式1-1，计算出不同扫速下样品的比容量(图5b)，可以看出YC-3的容量最佳， 5mv/s扫描速率下的比容量为319F/g，较同扫速下未活化的YC-0提高了2倍(160F/g)，在较高扫速100mv/s下仍表现出260F/g的容量，电容的保持率高达81％，此外，高扫速下比电容随活化比的增加变化较低扫速明显。这可能是因为活化作用在材料表面刻蚀出丰富的孔洞，增大了比表面积，保证了充放电过程中离子的快速扩散和存储，提高了在高扫速下的循环性。

对YC-3电极进行进一步测试。如图6a所示，在电压为-1到0V的范围内选择不同的扫描速率进行测试，可以看出在较高的扫速(100mV/s)时，循环伏安曲线依然为类矩形，表明该材料具有良好的双电层电容行为和良好的倍频性能，可实现快速充放电。良好的倍频性能归因于较大的比表面积，和丰富的微孔结构，且微孔孔径大于超微孔(<0.7nm)，电解质离子可以在其中快速传递和储存，利用效率高。

图6b为不同电流密度下的YC-3电极的恒电流充放电测试，从图中可以看出，曲线呈完美的线性以及对称的三角形形状，电化学可逆性较好，在充电转为放电的时，几乎观察不到 IR降，具有很小的等效串联电阻和很高的充放电效率。通过恒电流充放电法计算比容量，在电流密度为0.5A/g时单位电容量为350.1F/g，当电流密度增加到10A/g时，YC-3电极的单位电容量保持在292F/g，容量保持率达到83.4％，有良好的倍率性能。

图6c为YC-3电极在电流密度10A/g时循环充放电2000次，比电容随循环次数的变化情况。经过2000次循环，材料的电容量仍保有初始电容的97.3％，这表明YC-3作为电极材料具有非常好的循环稳定性。

本发明以废弃烟叶为碳源，使用K₂CO₃一步法活化法成功地制备了多孔碳。方法活化条件温和，反应过程易控制，大大减少了能耗和设备腐蚀(相对KOH活化剂)。制备的多孔碳具有丰富的三维孔道结构，比表面积高达2058m²/g，远超市面活性炭面积。电化学测试中，制备的多孔碳表现出较高的比电容、高能量密度和良好的循环稳定性，经过2000次循环后，电容没有明显下降。本发明将废弃烟叶转化为一种新的生产活性炭的资源，可以应用于高性能超级电容器。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高比表活性炭，其特征在于，以烟叶为碳源，利用K₂CO₃一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m²/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm³·g^-1。

2.根据权利要求1所述高比表活性炭，其特征在于，所述活性炭的比表面积为2058m²·g^-1，总孔容1.20389cm³·g^-1，微孔范围0.74～2nm。

3.一种权利要求1或2所述高比表活性炭的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S101：将烟叶清洗干净，并干燥处理；将干燥后的烟叶粉碎，过筛后收集备用；

S102：将无水碳酸钾与烟草粉末按预设比例混合，充分研磨，

S103：将研磨后的样品置于坩埚中，在惰性气体保护下，于活化炉中活化；

S104：冷却后取出样品；用稀盐酸除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。

4.根据权利要求3所述高比表活性炭的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

S101：选用烟叶，用清水反复清洗干净，并在40～90℃烘箱中干燥5～12h，将干燥后的废弃烟叶使用粉碎机破碎，过100目筛后收集备用；

S102：无水碳酸钾与烟草粉末按质量比为(1～5)：1的比例混合，充分研磨

S103：将研磨后的样品置于舟形坩埚中，在氩气气氛保护下，于管式炉中从室温以10℃/min的升温速率加热到800～900℃，恒温50～80min，

S104：加入1M的稀盐酸搅拌10～15h，除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。

5.根据权利要求3所述高比表活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤S104还包括水洗步骤：冷却后取出样品，先使用蒸馏水或去离子水水洗后，再使用稀盐酸酸洗；水洗液重结晶得到K₂CO₃。

6.一种超级电容电极，其特征在于，在权利要求1或2所述高比表活性炭中添加导电剂和粘结剂制作而成。

7.根据权利要求6所述超级电容电极，其特征在于，所述活性炭、导电剂和粘结剂质量比为8：1：1。

8.根据权利要求6所述超级电容电极，其特征在于，所述导电剂为炭黑；所述粘结剂为聚四氟乙烯。

9.一种权利要求6、7或8所述超级电容电极的制备方法，其特征在于，顺次包括以下步骤：

S201：将所述活性炭、导电剂及粘结剂按预设质量比混合；

S202：移取预设体积的无水乙醇加入S201所得混合物；

S203：超声处理10～60min；

S204：将超声处理后的混合物涂覆在泡沫镍集电极上；

S205：涂覆完的电极在真空干燥箱中100～150℃下干燥6～15h，使用5～20Mpa压力压制成片；

S206：将压制片置于电解液中浸泡5～20h，得到超级电容电极。

10.根据权利要求9所述超级电容电极的制备方法，其特征在于，顺次包括以下步骤：

S201：将所述活性炭、导电剂及粘结剂按8:1:1的质量比混合；

S202：每5mgS201所述混合物，移取1ml无水乙醇加入S201所得混合物；

S203：超声处理30min；

S204：用移液枪将超声处理后的混合物涂覆在1cm²泡沫镍集电极上；

S205：涂覆完的电极在真空干燥箱中120℃下干燥12h，使用10Mpa压力压制成片；

S206：将压制片置于6M的KOH溶液中浸泡12h，得到超级电容电极。

Images