[發明專利]一種利用小蓬草制備高比表面積活性炭的方法

無效

• 申請號: 201410567774.2
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104401991A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 袁磊;王朝陽;付志兵;唐永建;張厚瓊;趙海波;楊曦;鐘銘龍
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: C01B31/12
• 分類號: C01B31/12
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;何勇盛

技術領域

本發明屬于超級電容器炭電極材料的制備領域，具體涉及一種利用小蓬草為原料制備超級電容器用高比表面積活性炭的方法。

背景技術

發展高性能的能源存儲裝置是應對當今環境惡化和化石能源枯竭的巨大挑戰。超級電容器又稱極端電容器或電化學電容器，其能量密度是傳統電容器的幾百倍，功率密度高出電池兩個數量級，很好地彌補了電池功率低、大電流充放電性能差和傳統電容器能量密度小的缺點。此外，超級電容器具有充放電速率快（幾毫秒）、溫度適應范圍寬、循環壽命長（大于10⁶次）、無污染等優良特性，在很多特定條件下具有獨特的應用優勢。

超級電容器按儲能機理不同，可分為雙電層電容器和（electric?double?layer?capacitor,?EDLC）和法拉第準電容器（pseudocapacitor）兩種。前者主要通過離子在電極/電解液界面轉移完成能量存儲；后者主要通過快速可逆的氧化還原反應進行能量存儲。目前廣泛應用于超級電容器的電極材料為炭材料（活性炭、炭氣凝膠、炭納米管、介孔炭和石墨烯），過渡金屬氧化物（RuO₂、MnO₂、Co₃O₄，NiO）和導電聚合物（聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩）。活性炭材料來源豐富，價格低廉，資源可再生等特點，在成本上具有較大的優勢而廣泛的用作電極材料。

目前活性炭主要以煤炭和石油焦等高含炭的礦物質為原料轉化而來，由于化學能源的枯竭和制備過程中對環境造成污染，使用天然生物原料制備炭基電極材料對資源的可再生利用和環境保護至關重要。天然生物材料小蓬草的纖維素和半纖維素含量達到70%以上，是制備炭材料的廉價原料。其炭化后主要是以非晶石墨片堆疊而成，且具有規則的大孔結構，通過堿性活化可以得到分級的多孔炭材料，比表面積達到1400?m²g^-1以上，具有較寬范圍的孔徑分布結構，有利于電解液離子在炭材料孔結構內部的傳輸，有望成為工業化的超級電容器電極材料。然而，目前為止，沒有相關的技術研究，尚沒有人開發以天然的小蓬草為原料制備分級多孔的超級電容器用活性炭電極材料。

Abdelhakim?Elmouwahidi等[Abdelhakim?Elmouwahidi,Zulamita?Zapata-Benabithe,?et?al,?Activated?carbons?from?KOH-activation?of?argan?(Argania?spinosa)?seed?shells?as?supercapacitor?electrodes[J].?Bioresource?Technology,111:185–190]和Qiang?Wang?等[Qiang?Wang,?Qi?Cao,et?al,?A?high-capacity?carbon?prepared?from?renewable?chicken?feather?biopolymer?for?supercapacitors[J].?Journal?of?Power?Sources?,2013?,225:101-107]分別以摩洛哥堅果殼和雞毛為原料制備出了具有優良電化學性能的超級電容器炭電極材料。然而，這些原料資源有地域或產量有限，收集困難，且同一批原料之間的結構和化學成分有區別，很難形成具有規范的工業化制備路線，得到的炭材料性能不均一，限制其工業化發展。

發明內容

針對超級電容器炭基材料制備過程中存在的問題，本發明提出了一種利用天然生物材料小蓬草為原料制備具有三維網絡結構的超級電容器活性炭材料的方法。

本發明所提出的利用小蓬草為原料制備超級電容器活性炭的方法，依次包括如下步驟：

（a）炭化處理?高溫炭化爐中將小蓬草采用惰性氣體保護方法，進行炭化，處理時間15?h；

（b）活性炭材料預處理?將由（a）制備出的活性炭研磨成粉，并過200目分樣篩，?

（c）炭材料預活化?將步驟（b）中過篩材料與堿性活化劑以一定質量比混合，溶于去離子水和無水乙醇中，攪拌24?h，放入真空干燥箱內，干燥10?h，；

（d）炭材料活化?將步驟（c）中制取得預活化的炭材料樣品，在一定溫度下進行活化，整個活化及冷卻過程在高純惰性氣體保護下進行；?

（e）清洗?將步驟（d）得到的活化活性炭材料，放入2?M?HCl溶液攪拌10h，充分反應后，用90-100℃的熱水清洗，過濾，直至洗滌至中性(pH≈6～7)；?