CN1693189A - 一种富含中孔高比表面积活性炭的制备方法 - Google Patents

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詹亮
谢应波
张睿
梁晓怿
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Abstract

本发明涉及一种可用于双电层电容器电极材料、锂离子电池负极材料、碳分子筛、催化剂载体等领域的富含中孔高比表面积活性炭的制备方法，其以石油焦粉末为原料，通过KOH水溶液浸渍、脱水及活化后制得，其特征在于，在KOH水溶液浸渍时加入可溶性金属盐，可溶性金属盐的加入量为石油焦粉末重量的1～10％。按本发明所述方法可制备出BET比表面积为2000～2900m2/g、中孔孔容为0.6～1.5ml/g及平均孔径为1.3～2.6nm的富含中孔的高比表面积活性炭，在作双电层电容器电极材料时，其比电容可达200～320F/g。

Description

一种富含中孔高比表面积活性炭的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可用于双电层电容器电极材料、锂离子电池负极材料、碳分子筛、催化剂载体等领域的富含中孔高比表面积活性炭的制备方法。
背景技术
由于双电层电容器不仅兼具电容和电池双重功能，而且其性能优越，具有容量大、可靠性高、寿命长、工作温度宽(-25℃～85℃)和快速充放电等良好特性，是当今能量储存领域的一项新的革命和学科及产业生长点。
双电层电容器的储电机理是依靠电极材料和电解液之间形成双电层存储电荷，因此具有较高比表面积和良好导电性的高比表面积活性炭当属首选材料，尤其是比表面积在2000m2/g左右、孔结构以中孔为主的高比表面积活性炭(《新型炭材料》17(1)：71～79，2002)，因为该材料较高的表面积可以实现电极较高的能量密度，其孔结构又能使电解液在电极充放电时极容易进入而相应提高了其功率密度。
发明内容
本发明是通过在现有的KOH化学活化法制备超高比表面积活性炭的浸渍工艺中添加可溶性金属盐，利用金属离子对碳的催化气化作用而实现制备中孔活性炭的目的。
本发明所说的富含中孔高比表面积活性炭制备方法，其以石油焦粉末为原料，通过KOH水溶液浸渍、脱水及活化后制得，其特征在于，在KOH水溶液浸渍时加入可溶性金属盐，可溶性金属盐的加入量为石油焦粉末重量的1～10％。
在本发明中，优选的可溶性金属盐为金属镍、钴、铑、镐或钯的可溶性盐，最佳为硝酸镍。
按本发明所述方法可制备出BET比表面积为2000～2900m2/g，中孔孔容为0.6～1.5ml/g，平均孔径为1.3～2.6nm的富含中孔的高比表面积活性炭。该活性炭用作双电层电容器电极材料时，其比表面积可达200～320F/g。与现有KOH化学活化法比较，本发明具有如下优点：
1)本发明所制备的活性炭的孔径主要分布在1～3nm范围内，当用作双电层电极材料时，可使电解液极容易进入活性炭的孔中，因而能降低双电层电容器的交流阻抗、提高电极材料的表面积利用率，进而使其能量密度和功率密度得到有效提高；
2)本发明能使金属离子分子弥散在活性炭的表面，有利于提高炭电极的导电性和比电容；
3)本发明改善了活化工艺条件，能相应降低材料制备的活化温度和缩短活化时间，从而相应降低了生产能耗、节省制造成本，这对该材料的工业化生产具有较大意义；
4)本发明制备的富含中孔的高比表面积活性炭可用作锂离子电池负极材料、碳分子筛、催化剂载体、吸波材料以及医药等领域，这将拓宽了高比表面积活性炭的应用领域。
具体实施方式
本发明所说的富含中孔高比表面积活性炭制备方法包括如下步骤：
将石油焦原料经粉碎、筛分成20～150目后与KOH以重量比为1∶3～6混合，同时添加1～10wt％的可溶性金属盐(以石油焦粉末重量为基准计)和水，在水溶液中浸渍24h后，在氮气保护下，以4～10℃/min的升温速度升温至100℃并在此状态保持1h，然后以相同升温速度升至400℃，保持1～4h，再继续升温至700～900℃保持1～3h，自然冷却后用水洗至中性、经干燥即得产品。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容，而非限制本发明的保护范围：
                            实施例1(对比例)
将100目的石油焦粉末与KOH活化剂以重量比按1∶4混合，水溶液浸渍24h，在氮气保护下，以5℃/min的升温速度先升温至100℃低温物理脱水1h，然后以相同升温速度升至400℃化学脱水1.5h，再继续升温至800℃后活化2h，自然冷却，然后水洗至中性，干燥得产品。
按照此种活化工艺条件所制备的活性炭，BET比表面积为2573m2/g，孔径集中分布在0.5～1.2nm微孔范围内，总孔容为1.83ml/g，其中微孔孔容为1.82ml/g，中孔孔容为0.01ml/g。该材料用作双电层电容器电极材料时其比电容为137F/g。
                            实施例2
除在水溶液浸渍过程中添加2wt％的Ni(NO3)2(以石油焦粉末重量为基准计)，其它条件均与实施例1中所述的相同。所制得的活性炭BET比表面积为2364m2/g，孔径分布变宽，部分微孔向中孔方向偏移，孔径集中分布在0.5～2.1nm范围内，中孔孔容较实施例1有所增大，为0.14ml/g。正因为该工艺使活性炭的孔径分布发生变化，用作双电层电容器电极材料时其比电容也相应有所增大，为254F/g。
                            实施例3
在实施例2的工艺基础上(即仅改变Ni(NO3)2的加入量，其它条件均不改变)，增大Ni(NO3)2的添加量至10％。所制得的活性炭BET比表面积2305m2/g，孔径集中分布在0.5～6.6nm范围内，中孔孔容较实施例1有所增大，为1.53ml/g。该材料用作双电层电容器电极材料时其比电容为301F/g。
                            实施例4
在实施例3的工艺基础上，将活性炭制备工艺中的活化温度降为770℃恒温2h，所制得的活性炭的BET比表面积为2398m2/g，孔径分布并无明显变化，其根本原因是金属离子的协同催化效应相应能降低活化工艺中的活化温度和缩短活化时间。该材料用作双电层电容器电极材料时其比电容相应有所增大，为323F/g。

Claims (4)

1、一种富含中孔高比表面积活性炭的制备方法，其以石油焦粉末为原料，通过KOH水溶液浸渍、脱水及活化后制得，其特征在于，在KOH水溶液浸渍时加入可溶性金属盐，可溶性金属盐的加入量为石油焦粉末重量的1～10％。
2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所说的可溶性金属盐为金属镍、钴、铑、镐或钯的可溶性盐。
3、如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，其中所说的可溶性金属盐为硝酸镍。
4、如权利要求1～3所述的任意一种制备方法，其特征在于，其中石油焦粉末与KOH的重量比为1∶3～6。
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