[發明專利]一種生物質基活性炭電極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201610613715.3
• 申請日: 2016-07-30
• 公開（公告）號: CN107665777A
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 楊儒;鄔良;李敏
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及活性炭電極材料的制備領域，具體公開了一種以植物基生物質為原料，先經過預處理，再經過碳化和中低溫活化制備高能量密度、長循環壽命的炭電極材料的方法。

背景技術

隨著經濟社會的的快速發展，能源短缺問題以及化石燃料燃燒所帶來的環境污染問題日益凸顯，尋找一種高性能、低成本、環境友好型的能源存儲裝置迫在眉睫。超級電容器是一種介于電容器和化學電池之間的新型快速儲能裝置，具有功率密度高、循環壽命長、快速充放電等優點。在通信、工業、航空、航天、國防等領域具有重要的應用前景。

超級電容器根據儲能原理可分為雙電層電容器與贗電容電容器兩種。雙電層電容器由于電解液離子在電極材料的表面進行快速的物理吸附、脫附，具有更高的功率密度、更長的循環壽命，但是能量密度低是其目前面臨的主要難題。活性炭是雙電層電容器的主要電極材料之一，其大的比表面積可以提供更大的電極/電解液接觸界面，進而提供更高的能量密度。生物質材料作為活性炭的制備原料，具有來源廣、可持續的優點，受到人們的廣泛關注。例如中國專利CN105664849A、CN105668566A、CN105692610A、CN105540587A、CN105621408A、CN105645409A報道了以山核桃殼-玉米秸稈、松子殼、椰殼、稻殼、枇杷殼、荔枝殼制備活性炭的方法。但是專利以及文獻中提到的活性炭的電性能提高有限，所以研究比電容大、能量密度高、循環壽命長的電極材料成為當務之急。

發明內容

本發明提供了一種超級電容器用生物質基活性炭電極材料的制備方法，步驟如下。

1.生物質材料的氧化處理：將生物質原料置于80~100℃的去離子水中，蒸煮2~4 h，過濾脫水，用氧化劑溶液浸漬，氧化劑溶液濃度1%~20%，優選8%~15%，氧化處理2~5 h，處理溫度25~100℃，隨后用去離子洗滌、過濾脫除氧化劑。

2. 上述1項中，氧化處理的生物質原料，進行有機胺與堿性化合物的混合溶液浸漬處理，混合溶液中有機胺：堿性化合物的摩爾比為1.0:0~1.0:4.0，優選1.0:1.0~1.0:4.0，浸漬10~24 h，70~100℃烘干，得到碳化前軀體。

3.上述2項中，碳化前軀體的碳化：碳化前驅體置于管式氣氛爐中，500~600℃，在惰性氣體氣氛下碳化，惰性氣體流量100~300 ml/min，碳化時間1~3 h，管式氣氛爐自然降溫，研磨碳化產物，得到碳化物。

4. 上述3項中，碳化物與活化劑的混合，按照活化劑與碳化物的重量比1.0:1.0~6.0:1.0，將碳化物與活化劑混合于去離子水中，攪拌1~3 h，80~100℃蒸發干燥，得到活化前驅體。

5. 上述4項中，活化前驅體的活化：活化前驅體置于管式氣氛爐中，升溫至500~1000℃，優選500~800℃，最優選500~650℃，在惰性氣體氣氛中活化處理，惰性氣體流量100~300 ml/min，活化時間2~4 h，管式氣氛爐自然降溫，研磨產物，稀鹽酸洗滌、去離子水洗滌，直至pH值=7.0，過濾脫水干燥，即制得電極用活性炭材料。

6. 應用：制備的活性炭作為超級電容器和離子電池的電極材料在不同電解液中進行電性能測試。

7. 上述1項中，所述的生物質原料，包括木棉纖維、棉花纖維、大麻纖維、苧麻纖維、劍麻纖維、菌絲纖維、柳絮、楊絮、玉米芯、玉米秸稈、大麻桿、稻草、稻殼、花生殼，優選木棉纖維、棉花纖維、柳絮、大麻纖維、大麻桿。

8. 上述1項中，所述的氧化劑，包括雙氧水、次氯酸鈉、硫酸、硝酸的一種或者兩種以上以任意比例混合的混合物，優選雙氧水。

9.上述2項中，所述有機胺，包括乙二胺四乙酸（EDTA）、乙二胺四乙酸鈉、乙二胺四乙酸鐵鈉、檸檬酸銨、玫紅三羧酸銨、甲基咪草煙一種或者兩種以上以任意比例混合的混合物，優選乙二胺四乙酸。

10. 上述2項中，所述堿性化合物，包括氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鉀、碳酸鈉一種或者兩種以上以任意比例混合的混合物，優選氫氧化鉀、氫氧化鈉。

11. 上述3、5項中，所述的惰性氣體，包括氬氣、氖氣或氮氣，優選氮氣。

12. 上述4項中，所述活化劑，包括氫氧化鉀、碳酸鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸、氯化鋅、磷酸氫二銨中的一種或者兩種以上以任意比例混合的混合物，優選氫氧化鉀、氯化鋅。