[發明專利]一種纖維素多孔活性炭及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710718213.1
• 申請日: 2017-08-21
• 公開（公告）號: CN109422263B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 吳敏;黃勇;張云秀;孟秋華
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: C01B32/342
• 分類號: C01B32/342;C01B32/348;C01B32/318;H01G11/24;H01G11/40;H01G11/44
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君;陳征

本發明涉及一種纖維素基多孔活性炭及其制備方法與應用，所述方法包括以下步驟：1)將天然纖維素與活化劑水溶液混合，充分研磨至纖維膠狀物，冷凍干燥，制得纖維素與活化劑的固體混合物；2)將步驟1)制得的固體混合物置于惰性氣體或氮氣環境中，在500～1000℃溫度下，碳化0.5～4h，即得。本發明還公開了所述纖維素基多孔活性炭在超級電容器電極材料上的應用。本發明操作簡單，可嚴格控制原料與活化劑的使用量。所制得多孔活性炭比表面積極高，可廣泛應用于超級電容器的電極材料。

技術領域

本發明涉及天然高分子材料的技術領域，具體地涉及一種纖維素基多孔活性炭及其制備方法與應用。

背景技術

電極材料作為影響超級電容器電能儲存容量(即電容)的關鍵部分，要具備比表面積大和循環特性好等特點而其原料及制備方法的研究尤為重要。多孔碳材料的因為他們的可用性、微觀結構可調節和比表面積大等優勢得到很多研究人員的關注。

近年來研究較多的多孔碳材料包括石墨烯、碳納米管及生物質碳化材料等。石墨烯及碳納米管導電性良好且比表面積大，然而其制備方法復雜、價格昂貴，制約了它們的應用。而生物質碳化材料以價格低廉且儲量豐富引起了諸多研究者的興趣，特別是化學活化得到生物質碳材料。因化學活化溫和簡便，收率較高，得到的碳材料孔尺寸分布明確和比表面積高，而成為制備超級電容器電極材料的主要方式。

在制備碳材料的過程中，通常采用的活化方式為浸泡法以及水熱法，而其中進入材料的活化劑的量不均勻，以及反應條件不精準，導致所制備的材料會有一定差異。

發明內容

本發明的目的在于提供一種纖維素基多孔活性炭的制備方法。本發明采用研磨方式，使其天然纖維素原料和活化劑水溶液充分混合；不僅簡化了制備方法，且有效的控制反應條件及活化劑的使用量。

所述方法包括以下步驟：

1)將天然纖維素與活化劑水溶液混合，充分研磨至纖維膠狀物，冷凍干燥，制得纖維素與活化劑的固體混合物；

2)將步驟1)制得的固體混合物置于惰性氣體或氮氣環境中，在500～1000℃溫度下，碳化0.5～4h，即得。

所采用的天然纖維素宏觀形狀為纖維狀、顆粒或漿板狀；所述天然纖維素中纖維素的質量百分比不小于90％；本發明采用的天然纖維素不限于種類；優選采用木材、棉花、麻、農作物秸稈或農作物果實中的一種或多種提純制得。

本發明中提純的纖維素的的方式為常規的提純方式。

所述活化劑選自氫氧化鉀、磷酸或氯化鋅中一種或多種；

所述天然纖維素與所述活化劑的質量比為1:0.2～2，優選為 1:0.6～1.6。

所述活化劑水溶液中活化劑的重量百分比為1wt％～10wt％，優選為3wt％～8wt％。

當本發明的活化劑選用氫氧化鉀水溶液時，經冷凍干燥除去水而留下氫氧化鉀固體，并產生一定的孔。碳化過程高溫下，氫氧化鉀與碳反應，再分解氣化造孔，故而能得到大比表面的多孔碳材料。

本發明為實現天然纖維素與氫氧化鉀水溶液的充分混合，具體采用研磨的方式；進一步采用采用球磨方式，使其原料與活化劑水溶液得到充分均勻的混合；其中，磨球的材質選自二氧化鋯，瑪瑙，鋼球中一種或多種；和/或，球料比為3～4:1；和/或，球磨時間為2～12小時；和/或，轉速為200～400rpm。

本發明在充分混合后，進一步采用了冷凍干燥。所述冷凍干燥的溫度為-60℃～-100℃。傳統的干燥會引起材料的皺縮，而在冷凍干燥的過程中樣品的結構不會被破壞，因為固體成分被其位置上的堅冰支撐著。在冰升華時，會留下空隙在干燥的剩余物質里，這就保留了產品的化學結構的完整性，并會制造出一定的空隙。