[發明專利]一種利用甘蔗渣制備超級電容器碳氣凝膠的方法

有效

• 申請號: 201410111598.1
• 申請日: 2014-03-24
• 公開（公告）號: CN103839699A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 劉宏;郝品;趙振環;桑元華
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/44;H01G11/24
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李健康

技術領域

本發明涉及一種碳氣凝膠的制備方法，尤其涉及一種利用甘蔗渣制備具備三維多級孔結構的超級電容器碳氣凝膠的方法。

背景技術

隨著社會經濟的發展，人們對生態環境和綠色能源越來越關注。超級電容器作為一種新型儲能元件，日益受到重視。與目前廣泛使用的各種儲能器件相比，超級電容器兼有普通電容器功率密度大和二次電池能量密度高的優點，且充電速度快，循環壽命長，使用溫度范圍寬，對環境無污染。廣泛應用于數據記憶存儲系統，后備電源，便攜式儀器設備，通訊設備，燃料電池，電動車混合電源等領域。

電極材料是超級電容器的核心部件，對超級電容器的性能起著決定性作用，因此研發具有高比電容的電極材料是超級電容器研究中最核心的課題。目前，常用的電極材料主要有碳基材料、金屬氧化物和導電聚合物。其中碳材料因其良好的充放電穩定性而受到廣泛關注，也是目前唯一已經工業化的電極材料。目前，常用的碳基電極材料，大都是由礦物原料轉化而來的合成有機物為原理制備的，因為化石資源的有限儲量與制備過程中對環境有污染，使用可再生天然聚合物或農產品廢棄物制備碳基電極材料對于可持續發展和環境保護是至關重要的。甘蔗渣是甘蔗制糖業的剩余物，目前有20%用于制作紙漿，其余大部分只能作為鍋爐燃料或者工業廢棄物，尚不能得到充分利用。甘蔗渣的纖維素和半纖維素含量達到70%，是制備纖維素粉的廉價原料。纖維素中氧含量達到40%-50%，并且制備的纖維素氣凝膠為三維網絡結構，通過碳化和活化可以得到分級的多孔碳材料，比表面積達到2000m²g^-1以上，有利于電解液的離子在其內部傳遞和運輸，有望成為工業化的超級電容器電極材料。然而，因為沒有相應的技術，目前為止，尚沒有人利用甘蔗渣做原料制備分級多孔的超級電容器用碳氣凝膠電極材料。

Qiang?Wang等[Qiang?Wang,Qi?Cao,Xianyou?Wang,et?al,A?high-capacity?carbon?prepared?from?renewable?chicken?feather?biopolymer?for?supercapacitors[J].Journal?of?Power?Sources.2013,225:101-107]和Yaokang?Lv等[Yaokang?Lv,Lihua?Gan,Mingxian?Liu,et?al,A?self-template?synthesis?of?hierarchical?porous?carbon?foams?based?on?banana?peel?for?supercapacitor?electrodes[J].Journal?of?Power?Sources.2012,209:152–157]分別以雞毛和香蕉皮為原料制備出了具有良好電化學性能的碳材料。然而，這些材料具有資源有限性，和收集困難，特別是同一片原料中的結構和成分差別太大，很難制備性能均一的高性能碳基電極材料。

發明內容

針對目前超級電容器碳基電極材料制備過程中存在的問題，本發明提出了一種利用甘蔗渣制備具備三維多級孔結構的超級電容器碳氣凝膠的方法。

本發明所述利用甘蔗渣制備超級電容器碳氣凝膠的方法，步驟是：

（1）利用甘蔗渣制備去除木質素和半纖維素的纖維素粉，

（2）再利用纖維素粉制得纖維素氣凝膠，

（3）碳化纖維素氣凝膠，得到碳氣凝膠，

（4）活化碳氣凝膠，得到超級電容器碳氣凝膠；

其特征在于：

步驟（1）所述利用甘蔗渣制備去除木質素和半纖維素的纖維素粉的方法是：將甘蔗渣洗凈于50℃干燥后磨碎，放入濃度為4-6wt%的NaOH溶液中并于80℃下攪拌4-6h，然后用去離子水將其抽濾洗至中性后，放入體積比為1:1的亞氯酸鈉/冰醋酸的混合液中攪拌10-12h，再用去離子水將其抽濾洗至中性，置80℃干燥后即得到去除木質素和半纖維素的纖維素粉；

步驟（2）所述再利用纖維素粉制得纖維素氣凝膠的方法是：將步驟（1）得到的纖維素粉以質量分數為3-7wt%的比例加入到NaOH與尿素和水的質量比為3.75:5.75:40.5的NaOH/尿素的水溶液中，攪拌2-3h，然后將其置于-20℃冷凍10-12h后室溫下解凍并攪拌至透明，得到溶膠；將制備的溶膠于室溫放置24h后，得到凝膠；將得到的凝膠放入去離子水中并于25-50℃再生2-4h，將再生后的凝膠于-80℃冷凍10-12h，然后放入冷凍干燥機中干燥48-52h，即得到纖維素氣凝膠；