[發(fā)明專利]一種超級電容器用竹基多孔碳/二氧化錳納米復(fù)合電極材料及其制備方法

在審

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• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN111180214A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳曉紅;李鑫;劉杏娥;馬建峰;尚莉莉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué);國際竹藤中心
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/44;H01G11/46
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本發(fā)明涉及一種超級電容器用竹基多孔碳/二氧化錳納米復(fù)合電極材料及其制備方法。選取毛竹竹材為原料，加工成小塊，進(jìn)行干燥處理，將小竹塊置于惰性氣氛下高溫炭化，將炭化產(chǎn)物浸漬于堿金屬氫氧化物溶液中，然后再置于惰性氣氛下高溫活化，將活化產(chǎn)物洗滌至中性、干燥，得到竹基多孔碳；以高錳酸鉀、硫酸錳為原料，通過低溫水熱法產(chǎn)生二氧化錳納米球負(fù)載于竹基多孔碳表面，得到超級電容器用竹基多孔碳/二氧化錳納米復(fù)合材料。本發(fā)明操作簡單、對設(shè)備要求低，原料來源廣泛，竹材是可再生、具有生物相容性的綠色材料，用作超級電容器電極材料具有較優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種竹基多孔碳/二氧化錳納米復(fù)合材料的制備方法以及在超級電容器方面的應(yīng)用，屬于超級電容器電極材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的加重，新型清潔能源的開發(fā)和利用成為人們面對的重要問題之一。而人們對能量密度大、循環(huán)性能優(yōu)異、安全無污染的便攜式儲能設(shè)備的需求日益加重，其中超級電容器成為最有潛力的儲能器件之一。超級電容器又稱為大容量電容器或電化學(xué)電容器，是一種介于電池和普通電源之間的新型儲能器件，具有超高功率、充電速度快、使用壽命長、低溫性能優(yōu)越、漏電電流小等優(yōu)點(diǎn)，目前在便攜式電子設(shè)備、電動汽車和混合式動力汽車、工業(yè)及軍事領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。電極材料是超級電容器的重要組成部分，電極材料的組成和結(jié)構(gòu)對超級電容器的性能起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的超級電容器電極材料主要有多孔碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物三大類。

多孔碳材料，如活性炭，石墨烯，炭氣凝膠等，由于具有超高的比表面積，豐富的孔結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性，穩(wěn)定的充放電性能等優(yōu)點(diǎn)，是制備超級電容器的首選材料。天然生物質(zhì)材料，如木材，椰子殼，海藻，農(nóng)業(yè)廢棄物等，由于資源豐富，成本低廉，制造工藝簡單，環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在能源存儲領(lǐng)域受到了相當(dāng)多的關(guān)注。Dangbegnon等人報道了來自可再生松果生物質(zhì)衍生三維多孔碳用于超級電容器電極材料的應(yīng)用（Renewable Pine ConeBiomass Derived Carbon Materials For Supercapacitor Application. RSC Adv.2016, 6, 1800-1809）。然而，盡管可獲得基于多孔碳電極的雙電層電容器，但它們的能量密度是有限的，因此，人們對雙電層和贗電容組合的混合電極給予了更多的關(guān)注和期望。

MnO₂作為贗電容材料，具有較高的理論電容（~1370 F g^-1），成本效益和環(huán)境友好性，被視為有潛力的超級電容器電極材料，然而MnO2的導(dǎo)電性較差，限制了其作為電極材料的應(yīng)用（Manganese Oxide-Based Materials as Electrochemical SupercapacitorElectrodes. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1697-1721）。因此，將贗電容材料加入到三維導(dǎo)電炭載體中，電極材料之間的協(xié)同作用有利于電子電荷的傳遞，以及提供更高的電化學(xué)容量。

因此，目前有必要開發(fā)一種從生物質(zhì)前驅(qū)體出發(fā)的三維多孔炭/贗電容復(fù)合材料制備方法，以解決現(xiàn)有的成本高、環(huán)境污染啊、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一、電容性能低等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，以生物質(zhì)竹材為前驅(qū)體，通過高溫碳化、與堿金屬氫氧化物活化后得到竹基多孔碳；通過低溫水熱法與錳源結(jié)合，得到具有二氧化錳納米球負(fù)載的竹基多孔碳，用于超級電容器電極材料。本發(fā)明所用的技術(shù)方案：一種竹基多孔碳/二氧化錳納米復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

1、將竹材加工成小塊，清洗去除雜質(zhì)后進(jìn)行干燥處理；

2、將步驟1干燥后的竹塊置于惰性氣氛下進(jìn)行高溫炭化；

3、將步驟2的炭化產(chǎn)物在一定溫度下浸漬于氫氧化鉀溶液中，浸漬一定時間后置于惰性氣氛下進(jìn)行高溫活化，將活化產(chǎn)物洗滌至中性、干燥，得到竹基多孔碳；