[發明專利]一種活性炭電極材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201610045064.2
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN105731452A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 李金花;王吉萍;王宗花;王國明
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: C01B31/12
• 分類號: C01B31/12;H01G11/34
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

技術領域

本發明屬于超級電容器電極材料制備技術領域，具體涉及一種活性炭電極材料及其制備方法與應用。

背景技術

在社會經濟迅速發展，資源日漸短缺的今天，新型儲能元件超級電容器得到快速發展，很好地彌補了電池和燃料電池功率低、耐大電流充放電性能差和傳統電容器儲能密度小的缺點，在新能源汽車、移動通訊和航空航天等領域的應用越來越受到人們的關注。因此，電化學電容器的研究已經成為新型儲能元件研究的熱點，而電極材料是決定電化學電容器性能的關鍵因素。在超級電容器的各種電極材料中，價格低廉的活性炭材料是應用最廣泛的一類。炭材料具有優良的導熱和導電性能，其密度低、抗化學腐蝕性能好、熱膨脹系數小、彈性模量不高，故被廣泛用于電化學領域作電極材料。公開號為CN101423210A的專利公開了一種用生物質材料為原料的極性電極用活性炭的制造方法；公開號為CN102205963A的專利公開了一種將生物質水解后的糖酸溶液進行縮聚炭化制備超級電容器用活性炭的方法；公開號為CN104167301A的專利公開了一種碳化滸苔制備超級電容器電極材料的方法；劉軍利等人(林產化學與工業,2005,25:69-72)報道了以核桃殼為原料制備雙電層電容器用活性炭的方法；白翔等人(炭素技術,2009,28(1):9-13)研究了竹炭基超級電容器電極材料的制備和電化學性質。這些方法直接利用生物質為原料進行不同程度的炭化制備活性炭電極材料，炭化工藝時間長、產量低、炭化不均勻、穩定性差且制得的活性炭存在比表面積小、比電容量低等缺點。

生物質直接脫氧液化生物炭是生物質直接脫氧液化技術(ZL201210447287.3)制備液體燃油的聯產固體產物。直接脫氧液化反應是將生物質放入高溫高壓設備中，添加適宜的催化劑，在一定的脫氧工藝條件下反應，能獲得高熱值的液態燃油和含碳量很高的固體殘渣—生物炭。在此過程中生物質經歷了前期的高溫高壓液化階段，又經歷了第二階段的常壓高溫蒸餾階段，因此產生的生物炭不含焦油，顆粒均勻。

目前，這種固體產物一般直接用作吸附劑和土壤改良劑，國內外尚未見對固體產物進行改性制得可直接用于制備超級電容器的活性炭材料，也沒有生物質直接脫氧液化生物炭為原料制備超級電容器電極材料的相關報道。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的弊端，提供一種活性炭電極材料及其制備方法與應用，將生物質直接脫氧液化生物炭進行簡單的加工處理，可以制得高比電容量(>200F/g)的活性炭電極材料。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種活性炭材料，由生物質直接液化得到的生物炭經過活化、酸洗制備而成；生物質直接液化制得生物炭的方法，包括如下步驟：首先將生物質粉碎，在生物質粉末中加入水和催化劑得到混合物，將混合物放入密閉的反應釜中，進行加熱反應，將反應產物進行常壓蒸餾，剩余的固體殘渣即為生物質直接液化得到的生物炭。

優選的，所述活化使用的活化劑為氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鉀、碳酸鈉、磷酸、過渡金屬磷酸鹽中的一種。

活化劑的加入可使活性炭比表面積增大，在氫氧化鉀活化過程中，具有脫水與侵蝕作用，使得原料中的有機結構破壞，產生更多的微孔和中孔。

優選的，活化劑與生物炭的質量比為3-8:1。

優選的，所述生物質為農作物秸稈、鋸末、樹枝或海藻類生物質。

進一步優選的，生物質與活化劑進行混合后得到混合液，再將混合料烘干，得到混合料，烘干的溫度為100-150℃，干燥的時間為10-20h。

優選的，所述活化為在惰性氣體保護下，在600-900℃活化1-3h。

生物炭上的活性點碳原子與氫氧化鉀反應需要較高的活化能，溫度較低和活化時間較短時，活性點上的碳原子不能充分與氫氧化鉀反應，從而生成的微孔量少，升高溫度和加長活化時間，能使更多的活性點參與反應，使得微孔數量明顯增加，但與氫氧化鉀反應的活性點有一定的數量范圍，當超過一定時間后，繼續延長時間，導致原先已生成的微孔進一步與氫氧化鉀反應，從而改變孔結構，在達到最大吸附值后，再延長活化時間也會增加灰分的含量。

優選的，所述酸洗為使用鹽酸洗滌后，再使用水將活性炭洗滌至中性，鹽酸的濃度為5-10％。

上述活性炭材料在制備活性炭電極中的應用。

一種活性炭電極，由以下重量份的組分制成：所述活性炭材料7-9份，PTEF0.8-1.2份，乙炔炭黑0.8-1.2份。

優選的，所述活性炭電極的厚度為80-150μm。