[發明專利]一種梯度恒溫活化法制備棉稈基活性炭電極材料的方法

在審

• 申請號: 201310031228.2
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN103072986A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 吐爾迪·吾買爾;陳銘德;康雪雅;王磊;邊亮;徐金寶
• 申請（專利權）人: 中國科學院新疆理化技術研究所
• 主分類號: C01B31/12
• 分類號: C01B31/12;H01G11/44;H01G11/34
• 代理公司: 烏魯木齊中科新興專利事務所 65106
• 代理人: 張莉

技術領域

本發明涉及一種梯度恒溫活化法制備棉稈基活性炭電極材料的方法，屬于電化學領域。

背景技術

能源是人類賴以生存和發展的基礎，由于全球石油資源日趨短缺，燃燒石油的內燃機排放的尾氣對環境的污染越來越嚴重，能源的供給和需求之間的矛盾日益突出。人們都在努力研究替代內燃機的新型能源裝置。目前，人們已經對混合動力、燃料電池、化學電池等產品進行研究與開發，并且取得了一定的成效。但是它們使用壽命短、溫度特性差、化學電池污染環境、系統復雜、造價昂貴等一些致命的弱點，一直沒有得到很好的解決，限制了其實際應用。因此，尋找一種新型綠色能源迫在眉睫。

超級電容器（supercapacitors）又稱電化學電容器（electrochemicalcapacitors，ECS），它是一種介于二次電池和傳統電容器之間的新型儲能元件。它由于具有功率密度高、循環壽命長、能瞬間大電流充放電、工作溫度范圍寬、安全、無污染等優點，填補了物理電容器與蓄電池這兩類儲能器件的空白。它獨特的性質使得它發揮了無可替代的作用，尤其是在短時間大功率放電應用方面。廣泛應用于移動通訊、工業領域、消費電子、電動汽車和國防科技等方面。同時還可作為輔助電源，與蓄電池聯合作為飛機、坦克、火箭、導彈、人造衛星、宇宙飛船空間站和潛艇等的點火或啟動電源。其巨大的應用潛力引起了越來越多的關注，成為當前化學電源領域的研究熱點之一。

可用作超級電容器電極材料的碳材料主要有：活性炭、炭氣凝膠、活性炭纖維、碳納米管。其按孔徑大小分可以分為微孔(microporous)炭(<2nm)、介孔(mesoporous)炭(2-50nm)和大孔(macroporous)炭(>50nm)。碳材料的研究主要集中在制備具有較大比表面積和較小電阻的多孔電極上，理想的碳電極材料，應該具有高比表面積、高中孔率、高電導率以及良好的電解液浸潤性。

活性炭材料的工業生產和應用歷史悠久，具有比表面積大，導電性能優良、抗化學腐蝕性能好、熱膨脹系數小，且低廉易得、易于實現工業化生產等特點。它是最早用于超級電容器的電極材料。制備活性炭的原料也比較豐富，煤、石油焦、木材、果殼、樹脂、瀝青等都是制備超級電容器用活性炭材料的優良原料。但由于資源的短缺，特別是煤和木屑的供應，給活性炭材料產業的發展帶來了巨大壓力。因此，尋找合適的新型原料成為活性炭行業持續發展的重要任務之一。

隨著中國農業的發展，棉花產量大幅上升，目前中國在世界上四大產棉國中位居第二。與此同時，棉花種植業還得到大量的副產物-棉稈。棉稈的利用技術單一，或直接堆漚還田，或燒火做飯取暖，導致其能量轉化率和利用率都會很低。目前尚無用梯度恒溫活化法制備超級電容器用棉稈基活性炭電極材料的報道。根據棉稈自身結構特點，因地制宜，通過將多種方法有機地組合起來，形成一種多層次、多途徑綜合利用的方式．從而提高棉稈利用率，促進其產業化。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種梯度恒溫活化法制備棉稈基活性炭電極材料的方法。該方法以棉稈為原料，將棉稈經清洗粉碎后進行炭化處理，然后與活化劑混合浸漬，通過梯度恒溫活化法有效控制了大、中、微孔之間的比例，形成一種具有多孔結構的棉稈基活性炭電極材料。本發明所述方法通過梯度控制活化時間來調節棉桿基活性炭的孔徑，制備的棉桿基活性炭電極材料具有較高的比表面積、較合理的孔徑分布和較好的電容特性。其比表面積可達到1900m²/g，比容量超過200F/g。對實現棉花產業的可持續發展，以及提高超級電容器性能、降低電極材料生產成本具有重要意義。

本發明所述的一種梯度恒溫活化法制備棉稈基活性炭電極材料的方法，按下列步驟進行：

a、將棉稈清洗，粉碎成200μm-10mm顆粒，在溫度70-120℃烘干；

b、將烘干后的棉稈顆粒在惰性氣體保護或真空條件下，以溫度2-50℃/min的升溫速率升至400-900℃，恒溫1-20h進行炭化，得到炭化材料；

c、將炭化材料進行研磨后，與活化劑按固液比1:2-7混合，浸漬0.5-72h；

d、將步驟c的混合物放入烘箱于溫度70-120℃進行干燥處理；

e、在惰性氣體保護或真空條件下，將干燥后的混合物以溫度2-50℃/min升溫，在溫度400-900℃區間進行梯度恒溫，在各個溫度區間恒溫0.25-10h，得到活性炭材料；

f、將步驟e得到的活性炭材料隨爐降至室溫，經洗滌至中性，然后于溫度80℃進行干燥處理，即可得到用于超級電容器的棉稈基活性炭電極材料。