一种活性炭及活性炭/氧化锌复合物电极材料的制备方法，其主要过程是将ZnCl2水溶液和核桃壳或杏仁壳或木屑置于水热釜中，加热至120-200℃，反应6-24小时，冷却至室温；将反应溶液过滤掉，干燥得到水热碳；将水热碳研磨，放入通有惰性气体保护的管式炉中，以5-10℃/min升温至600-900℃保温1-4h，制得活性炭/氧化锌复合物；活性炭/氧化锌复合物中加入无机酸以去除ZnO，再经过抽滤，水洗，在60-80℃下干燥，即得到活性炭。本发明专利技术工艺简单、能耗低、可以调控所制备的活性炭或活性炭/ZnO复合物的比表面积，所制备的活性炭及其活性炭/氧化锌复合物作为超级电容器电极材料具有较好的电化学性能。
【技术实现步骤摘要】
一种活性炭及活性炭/氧化锌复合物电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种活性炭基电极材料的制备方法。
技术介绍
随着我国可持续发展战略的提出，废弃物处理问题得到了人们越来越多的关注。传统方法对植物废弃物如果壳等进行燃烧处理不仅对环境污染极大，成为雾霾天气的帮凶，而且造成了资源的大量浪费。因而将植物废弃物转化为有用的资源，消除对环境的不利影响，具有重要的意义。果壳如核桃壳，杏壳等植物废弃物含碳量较高，是一类较好的制备活性炭材料的原料。活性炭具有比表面积大，价格较低及导电性较好等诸多优点，是一种较为理想的超级电容器电极材料。目前采用植物废弃物(如核桃壳)制备活性炭，已取得了较大的进展。如彭金辉等人的专利[CN100336721C]中，将原料核桃壳等植物废弃物破碎后炭化，继续粉碎至设定粒度，与固体氢氧化钾混合均匀，然后入微波炉中活化碳化。这种方法流程较长，需二次粉碎，且微波法在工业上较难实现。张亮的专利[CN102992318A]中，将核桃壳进行粉碎，磷酸浸泡，活化漂洗，干燥等过程，将其转化为活性炭。然而这些制备过程均存在工艺复杂，能耗较高等诸多问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种步骤少、工艺简单、能耗低，制备的活性炭或复合物比表面积可调的活性炭及活性炭/氧化锌复合物的制备方法。本专利技术的方法通过下述步骤实现：(1)以核桃壳、杏仁壳、木屑等作为碳源材料，按ZnCl2溶液：上述碳源的质量比为5-7：1的比例，将碳源加入浓度为0.25-5M的ZnCl2水溶液中混合，然后将混合物置于水热釜中，水溶液体积占水热釜体积的70％，将水热釜至于鼓风干燥箱中，将温度升高到120-200℃，恒温反应6-24小时，水热釜内生成含有棕褐色固体产物的混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物，通过常压过滤滤去反应溶液，所得的棕褐色固体，在80℃下进行干燥，所得的产物即为水热碳；(3)将步骤(2)所得水热碳研磨成粉，置于通有惰性气体保护的管式炉中，以5-10℃/min升温至600-900℃保温1-4h，即得到活性炭/氧化锌复合物，所述惰性气体为氩气或氮气；(4)按活性炭/氧化锌复合物：无机酸质量比＝1：10-50的比例，将步骤(3)所得黑色活性炭/氧化锌复合物放入1M无机酸溶液中，搅拌12-24h去除ZnO，抽滤，用去离子水洗，直到滤液呈中性，在60-80℃下干燥，即得到活性炭。所述无机酸为盐酸、硝酸或硫酸。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、工艺简单，水热碳化耗能低，水热碳化温度在120-200℃左右，远低于传统工艺的碳化温度400-600℃，节约了大量能量，降低了生产成本。2、废弃核桃壳杏仁壳等无需经过特别破碎流程，核桃壳等果壳本身虽然很坚韧，但经过水热碳化处理后，水热碳非常疏松，易磨性得到大大改善，节约了能量。3、活性炭比表面积易于调控，通过控制氯化锌的浓度，可以实现比表面积的调控。附图说明图1为本专利技术实施例3制备的活性炭(曲线a)和活性炭/ZnO复合物(曲线b)的X-射线衍射图。图2为本专利技术实施例3制备的活性炭/ZnO复合物(A)和活性炭(B)的扫描电子显微镜图。图3为本专利技术实施例3中活性炭(A)和活性炭/ZnO复合物(B)在10mV/s扫描速率下的循环伏安曲线图。图4为本专利技术实施例3制备所得800℃活性炭(曲线a)、活性炭/ZnO复合物(曲线b)的N2吸附-脱附曲线图。图5为本专利技术实施例3中在800℃热处理下得到的活性炭在6MKOH电解液中电流密度为0.5A/g的恒流充放电及循环性能曲线图。图6为本专利技术实施例3中在800℃热处理下得到的活性炭/ZnO复合物在6MKOH电解液中电流密度为0.5A/g的恒流充放电及循环稳定性曲线图。具体实施方式实施例1称取10g杏仁壳置于水热釜中，加入60mL浓度为0.25MZnCl2水溶液(约占至水热釜容积的70％)，将水热釜置于鼓风干燥箱内加热至120℃保温24h，待水热釜冷却至室温，得到棕褐色固体即为水热碳。取出反应后的水热碳，倾掉多余水分，将水热碳置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥，研磨成粉。将研磨后的粉末状水热碳置于有氩气保护的管式炉中，以8℃/min升温至900℃保温1h碳化，随炉冷却至室温，得到黑色活性炭/ZnO复合物。将8g黑色活性炭/ZnO复合物放入200mL1M硫酸中搅拌24h，抽滤去除ZnO，用去离子水洗，直到滤液呈中性，再置于鼓风烘箱中于60℃下干燥，制得活性炭实施例2称取10g木屑置于水热釜中，加入60mL浓度为5MZnCl2水溶液至水热釜容积的70％，将水热釜置于鼓风烘箱内加热至200℃保温6h，待水热釜冷却至室温，得到棕褐色固体即为水热碳。取出反应后的水热碳，滤去多余水分，将水热碳置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥，研磨成粉。将研磨后的粉末状水热碳置于有氮气保护的管式炉中，以5℃/min升温至600℃保温4h碳化，随炉冷却至室温，得到黑色活性炭/ZnO复合物。将约12g黑色活性炭/ZnO复合物放入150mL的1M硝酸溶液中搅拌18h，抽滤去除ZnO，用去离子水洗，直到滤液呈中性，将所得产物置于鼓风烘箱中于70℃下干燥，制得活性炭实施例3称取10g核桃壳置于水热釜中，加入60mL浓度为2M的ZnCl2水溶液，(水热釜容积的70％)，将水热釜置于鼓风烘箱内加热至180℃保温12h，待水热釜冷却至室温，得到棕褐色固体即为水热碳。取出反应后的水热碳，倾掉多余水分，将水热碳置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥，研磨成粉。将研磨后的粉末状水热碳置于有氮气保护的管式炉中，以10℃/min升温至800℃保温2h碳化，随炉冷却至室温，得到黑色活性炭/ZnO复合物。将10g黑色活性炭/ZnO复合物放入200mL的1MHCl溶液中搅拌12h，抽滤去除ZnO，用去离子水洗，直到滤液呈中性，再置于鼓风烘箱中于80℃下干燥，制得活性炭。活性炭或活性炭/ZnO复合物的电化学性能测试是通过组装成超级电容器实现的，超级电容器的组装是在常规实验室中进行，电极制备：活性炭材料同导电碳黑及聚四氟乙烯溶液混合，质量比为80:15:5，混合物滴加适量酒精在研钵中研磨，均匀涂于泡沫镍集流体上，120℃真空条件下干燥6h，5MPa保持1min压片，作为超级电容器正、负电极，隔膜采用聚丙烯无纺布为隔膜，电解液为6M的KOH水溶液。外壳采用不锈钢电池组套。电容器的组装：将制备好的正极，隔膜，和负极依次放入不锈钢电池组套中，加入8-10滴电解液，确保正负极及隔膜浸润于电解液中；再将不锈钢电池组套拧紧。组装好的超级电容器静置12h，在室温条件下电化学性能测试，电压起止范围为0-1V。其中采用电化学工作站(CHI604D，上海辰华)进行循环伏安测试；采用由计算机控制的充放电测试系统(深圳新威电子公司，BTS系列)进行恒流充放电性能测试。如图1所示，图中曲线a为获得的活性炭/ZnO复合物的X射线图谱，其中峰位为22°位置的宽锋对应于碳材料(002)晶面，而在31，34，36，47，56°等处的尖峰，与六方相氧化锌标准谱图(卡片号JCPDS:36-1451)相符合，X射线数据表明，成功制备了活性炭/ZnO复合物；图中曲线b为800℃热处理制备活性炭X射线衍射图谱，与碳材料的标准图谱相符合，峰位为22°和45°分别对应碳材料的(0本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种活性炭及活性炭/氧化锌复合物电极材料的制备方法，其特征在于： (1)以核桃壳、杏仁壳、木屑等作为碳源，按ZnCl2溶液：上述碳源材料的质量比为5‑7：1的比例，将碳源加入浓度为0.25‑5M的ZnCl2水溶液中混合，然后将混合物置于水热釜中，水溶液体积占水热釜体积的70％，将水热釜至于鼓风干燥箱中，将温度升高到120‑200℃，恒温反应6‑24小时，水热釜内生成含有棕褐色固体产物的混合物； (2)将步骤(1)得到的混合物，通过常压过滤滤去反应溶液，所得的棕褐色固体，在80℃下进行干燥，所得的产物即为水热碳； (3)将步骤(2)所得水热碳研磨成粉，置于通有惰性气体保护的管式炉中，以5‑10℃/min升温至600‑900℃保温1‑4h，即得到活性炭/氧化锌复合物； (4)按活性炭/氧化锌复合物：无机酸质量比＝1：10‑50的比例，将步骤(3)所得黑色活性炭/氧化锌复合物放入1M无机酸溶液中，搅拌12‑24h去除ZnO，抽滤，用去离子水洗，直到滤液呈中性，在60‑80℃下干燥，即得到活性炭。
【技术特征摘要】
1.一种活性碳及活性碳/氧化锌复合物电极材料的制备方法，其特征在于：(1)以核桃壳或杏仁壳或木屑作为碳源，按ZnCl2溶液：上述碳源材料的质量比为5-7：1的比例，将碳源加入浓度为0.25-5M的ZnCl2水溶液中混合，然后将混合物置于水热釜中，水溶液体积占水热釜体积的70％，将水热釜至于鼓风干燥箱中，将温度升高到120-200℃，恒温反应6-24小时，水热釜内生成含有棕褐色固体产物的混合物；(2)将步骤(1)得到的混合物，通过常压过滤滤去反应溶液，所得的棕褐色固体，在80℃下进行干燥，所得的产物即为水热碳；(3)将步骤(2)所得水热碳研磨成粉，置于通有惰...
【专利技术属性】
技术研发人员：李悦明，刘喜，赵丹，于圣明，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13
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