[發明專利]一種廢棄物衍生碳電極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202211722936.6
• 申請日: 2022-12-30
• 公開（公告）號: CN115924885A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 苑承兵;高旭;彭俊
• 申請（專利權）人: 明士新材料有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/34
• 代理公司: 北京圣州專利代理事務所(普通合伙) 11818
• 代理人: 王宇航

本發明公開了一種廢棄物衍生碳電極材料及其制備方法，屬于新能源電子材料技術領域。本發明的電極材料以廢棄香煙過濾嘴為前驅體，經過微波水熱處理、加堿處理、活化碳化過程制備得到。本發明采用微波水熱法制備廢棄物衍生碳電極材料，其具有高比表面積和窄的孔徑分布，用于超級電容器碳電極，電化學性能優異。本發明的制備方法與普通水熱法相比，具有高效率性，所制備的樣品結構穩定性好、比電容值高、循環壽命長、能源利用率高，對于推動超級電容器領域的發展有重要意義。

技術領域

本發明屬于新能源電子材料技術領域，特別是涉及一種廢棄物衍生碳電極材料及其制備方法。

背景技術

化石燃料短缺和氣候變化是引起廣泛關注的問題之一。用生物質能、太陽能和風能等可再生資源取代化石燃料被認為是實現可持續發展的一種有前途的方法。然而，可再生能源的發電通常是空間分散和時間間歇的。為了保持可再生能源電力系統的穩定性和安全性，未來電力系統中儲能裝置必不可少。超級電容器由于其高功率密度、長壽命、循環穩定性好和快速充電率，是高效和可持續的候選產品。

超級電容器通過電極與電解質之間形成的電化學雙層或表面官能團的法拉第反應來存儲電能。多孔碳是超級電容器最理想的材料之一。多孔碳的電容性能主要與其比表面積和孔結構有關。表面積為電雙層的形成提供了場所，孔隙結構決定了內部孔隙的可達性。由于微孔(孔徑2nm)、中孔(孔徑2nm～50nm)和大孔(孔徑50nm)的協同作用，有利于形成納米級的孔隙結構，其中微孔貢獻了豐富的比表面積，中孔提高了電解質離子的傳質速率，大孔減小了離子的傳遞距離。

目前，香煙過濾嘴(CFs)已成為最大的固體廢物來源之一，引起了嚴重的環境問題。對廢棄CFs收集處理后，在離子吸附、催化及能源領域有著較為高效的能源利用率，并減少其對環境的負擔及土壤的危害性。CFs最主要的成分是醋酸纖維素，也是制備高性能多孔碳的理想前驅體之一。纖維基多孔碳具有準定向多孔結構，具有親水性和快速的水轉移能力。目前，有現有技術報道在含氮氣氛下，通過對香煙過濾嘴進行熱處理，一步法制備氮摻雜介/微孔雜化碳材料(NCF)的方法。雖然NCF具有較好的速率性能和更高的比電容(153.8F/g)，但該性能仍舊不能滿足工業需求，需要對材料的孔隙結構進一步完善。因此，亟需研制一種比表面積高、孔徑大小均勻、結構穩定性好、比電容高、循環壽命長的廢棄香煙過濾嘴衍生碳電極材料。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種廢棄物衍生碳電極材料及其制備方法，本發明的廢棄物衍生碳電極材料具有高比表面積和窄的孔徑分布，用于超級電容器碳電極，電化學性能優異，具有結構穩定性好、比電容值高、循環壽命長、能源利用率高等優勢。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明目的之一是提供一種廢棄物衍生碳電極材料，所述電極材料以廢棄香煙過濾嘴為前驅體，經過微波水熱處理、加堿處理、活化碳化過程制備得到。

本發明目的之二是提供一種所述的廢棄物衍生碳電極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將廢棄香煙過濾嘴撕開分散并置于水中，在微波反應器中進行微波水熱處理，處理溫度為180～240℃，處理時間為1～3h，冷卻至室溫后得到樣品；

(2)將步驟(1)得到的樣品洗滌、干燥，按照m_樣:m_堿＝1:1～5的質量比將樣品和堿性試劑分散于水中，充分攪拌并干燥；

(3)將步驟(2)干燥后的樣品進行活化碳化，采用分段升溫的方式升溫至600～800℃，活化碳化40～100min；然后冷卻至室溫，在HCl溶液中浸泡至中性，洗滌烘干得到所述廢棄物衍生碳電極材料。

進一步地，步驟(1)所述微波水熱處理的溫度為200℃，時間為2h。

進一步地，步驟(2)所述樣品和堿性試劑的質量比為1:4；所述堿性試劑為氫氧化鈉、碳酸鈉和碳酸氫鈉中的一種或多種。