[發明專利]基于竹筍殼的活性炭材料的制備工藝及其在超級電容器中的應用

在審

• 申請號: 201910824987.1
• 申請日: 2019-09-02
• 公開（公告）號: CN110451503A
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 劉子逸
• 申請（專利權）人: 福建省建甌第一中學
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/348
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于竹筍殼的活性炭材料的制備工藝及其在超級電容器中的應用。所述制備方法包括：1）竹筍殼的清洗和干燥；2）高溫碳化處理竹筍殼后，酸洗去除微量元素，使用去離子水清洗至中性、干燥；3）碳化竹筍殼粉末與活化劑混合物經過高溫活化、酸處理、去離子水清洗及干燥后，制得了一種基于竹筍殼的活性炭材料。本發明所述的基于竹筍殼的活性炭材料被應用于超級電容器中，該超級電容器顯示了典型的超級電容器電化學行為以及良好的充放電穩定性。

技術領域

本發明屬材料制備技術領域，具體涉及一種基于竹筍殼的活性炭材料的制備工藝，及制備的活性炭在超級電容器中的應用。

背景技術

超級電容器作為一種介于傳統電容器和可充電電池之間的新型儲能器件，因其具有高功率密度，長循環壽命，快速充電/放電能力，優異的速率性能以及低成本等多種優勢，受到了工業界和學術界的極大關注。目前，超級電容器在數字無線設備，內存備份系統，混合動力電動汽車等諸多領域已經被廣泛應用。隨著超級電容器應用的進一步發展，超級電容器已成為目前最有發展前景的能量存儲系統之一。眾所周知，電極材料是決定電化學電容器性能的主要因素，因此電極材料的研究工作一直是該領的研究熱點。目前，活性炭材料因其具有易加工性，更高的豐度、低成本以及高表面積和孔隙率，被廣泛應用于超級電容器。活性炭材料主要來自化石燃料和木材等，然而，化石燃料資源有限且不可再生，過度砍伐森林也會導致嚴重的環境問題。生物質基植物材料作為可再生資源因其成本低、易得、環保和結構上多孔等優勢，受到了極大關注。

竹筍殼作為一種主要由纖維素、半纖維素和木質素組成的生物質材料，通常被作為廢棄生物質處理，而中國作為竹子資源豐富的國家，每年將產生大量的廢棄竹筍殼。鑒于此，本發明將竹筍殼變廢為寶，通過將竹筍殼經過高溫炭化和活化工藝處理后，得到一種基于竹筍殼的活性炭材料，進一步降低活性炭成本，成為超級電容器用電極活性炭制備的候選材料。

發明內容

本發明的創新性在于提供了一種基于竹筍殼的活性炭材料的制備工藝，將竹筍殼變廢為寶，降低了活性炭的成本，并將制備的活性炭材料應用于超級電容器。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于竹筍殼的活性炭材料的制備工藝，其特征在于，包括以下制備步驟：

1）先將竹筍殼原料用去離子水超聲5～20 min，清洗干凈，確保所有灰塵雜質完全去除。然后將其置于干燥箱中干燥，得到干燥后的竹筍殼；

2）將步驟1）中得到的干燥后的竹筍殼剪碎，稱取適量竹筍殼碎片置于惰性氣體保護管式爐中。高溫熱解后，在惰性氣體保護下爐冷至室溫。將熱解產物用10 wt% HCl 浸泡并煮沸，然后過濾，用蒸餾水洗滌至濾液呈中性。再將產物在100～120 ℃下干燥4～48 h, 得到基于竹筍殼的炭化材料。

）將步驟3）中得到的基于竹筍殼的炭化材料與活性劑混合，將其用研缽研磨 15～30 min研磨碎，且使其混合均勻。將混合物置于鎳坩堝中，放入管式爐，通入惰性氣體保護。設置升溫速率為5 ℃/min，先升溫至400 ℃保溫30 min，再升溫至800 ℃保溫1～2 h，在氬氣保護下，待冷卻至常溫，把活化產物用10 wt% HCl，接著用去離子水清洗到濾液接近中性。最后將其在溫度100～120 ℃下干燥4～48 h，制得基于竹筍殼的活性炭粉末材料。

優選地，步驟1）中所述的竹筍殼原料包括各種新鮮竹筍殼中的一種或者多種。

優選地，步驟1）中干燥溫度為90～120 ℃，干燥時間為4～48 h。

優選地，步驟2）和步驟3）中使用惰性保護氣體為氬氣或者氮氣。

優選地，步驟2）中高溫熱解溫度為500～650 ℃，時間為2～3 h，升溫速率為5～10℃/min。

優選地，步驟3）中所述活性劑為KOH和NaOH混合物或者兩者中的至少一種。