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一种樟树基多孔活性炭及其制备方法和在电化学储能中的应用技术

技术编号:19275428 阅读:22 留言:0更新日期:2018-10-30 16:56
本发明专利技术公开了一种樟树基多孔活性炭及其制备方法和在电化学储能中的应用,樟树基多孔活性炭的制备方法是将樟树原料粉末与活化剂一起进行高能球磨处理,高能球磨处理所得产物置于保护气氛下进行炭化处理,即得;樟树基活性炭材料保持了樟树木质纤维原有生物组织及有序孔结构,且比表面积大,传质速度快,将其用于制备钠离子电池负极材料或双电层电容器电极材料,可以获得能量密度高、循环性能较好的钠离子电池或高容量的电容器;且该活性炭的制备成本低、操作简单、生产周期短,满足工业化生产。

A camphor tree based porous activated carbon and its preparation method and its application in electrochemical energy storage

The invention discloses a camphor tree-based porous activated carbon and its preparation method and application in electrochemical energy storage. The preparation method of camphor tree-based porous activated carbon is that the raw material powder of camphor tree is treated by high-energy ball milling together with the activator, and the products obtained by high-energy ball milling are carbonized in a protective atmosphere. Activated carbon based materials retain the original biological tissue and ordered pore structure of camphor wood fibers, and have large specific surface area and fast mass transfer. It can be used to prepare anode materials for sodium ion batteries or electrode materials for double-layer capacitors. Sodium ion batteries with high energy density, good cycling performance or high capacity capacitors can be obtained. Moreover, the activated carbon has low preparation cost, simple operation and short production cycle, so as to meet the requirements of industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种樟树基多孔活性炭及其制备方法和在电化学储能中的应用
本专利技术涉及一种多孔碳材料,特别涉及一种樟树基多孔活性炭及采用樟树原料通过高能球磨和高温炭化制备樟树基多孔活性炭的方法,还涉及樟树基多孔活性炭作为电极材料在电化学储能中的应用,属于电化学储能材料制备

技术介绍
多孔碳材料因其高的比表面积,制备容易,微结构易调节,形式多样,以及良好的导电性和电化学稳定性而备受关注,被广泛应用于吸附剂、催化剂载体以及储能方面。目前,活性炭的来源主要是富含碳的有机材料,包括无烟煤、沥青、果壳、农作物的副产物等;其活化方法主要包括物理活化法、化学活化法。其中物理活化是在加热过程中采用氮气、水蒸气、二氧化碳等气体进行活化,化学活化主要是用NaOH、HNO3、H3PO4、Na2CO3和ZnCl2等在较高温度下进行活化。总的来说,活化过程通常分为2步,首先对原材料进行预炭化的过程,然后将预炭化所得的材料与活化剂按一定比例混合均匀后再进一步高温活化。Ding等人使用稻壳做前驱体,先使用硫酸水热活化,然后在400℃下预碳化30min,最后在800℃下使用NaOH、KOH、H3PO4活化1h(Theproductionofhydrochar-basedhierarchicalporouscarbonsforuseaselectrochemicalsupercapacitorelectrodematerials,ColloidsandSurfacesA:Physicochem.Eng.Aspects,2013,423,104–111);相对物理活化来说,化学活化所用的时间更短,得到的活性炭比表面积更大。而两步的化学活化方法过程比较繁琐,能耗较大,产率较低。超级电容器电极材料主要有过渡金属氧化物、导电聚合物以及各种碳基材料。然而,制备这些碳材料往往需要昂贵的、不可再生的原材料,高成本的无机模板,繁杂的制备步骤或长的制备时间与高的能量消耗。生物质多孔活性炭材料可再生、来源广泛且价格低廉,是制备多孔碳材料的首选碳源,也是最具前景的超级电容器电极材料。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷,本专利技术的第一个目的在于提供一种比表面大,且具备丰富微孔/介孔结构的樟树基多孔活性炭。本专利技术的第二个目的是在于提供一种以樟树为原料通过高能球磨结合高温炭化工艺制备樟树基多孔活性炭的方法,该方法成本低,工艺流程短,易于操控,满足工业化生产。本专利技术的第三个目的是在于提供一种樟树基多孔活性炭的应用,将樟树基多孔活性炭应用于制备钠离子电池负极材料或者双电层电容器电极材料,可以获得高性能钠离子电池及双电层电容器。为了实现上述技术目的,本专利技术提供了一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔活性炭的方法,该方法是将樟树原料粉末与活化剂一起进行高能球磨处理,高能球磨处理所得产物置于保护气氛下进行炭化处理,即得。优选的方案,所述樟树原料粉末包括樟树木质纤维粉末。樟树原料粉末主要是指将樟树枝、杆等原料去皮后,保留木质纤维部分,干燥,粉碎成粉末状。樟树属樟科、属常绿大乔木,广泛分布于中国长江流域以南区域,对土壤要求不严,萌芽力强,耐修剪,产量高。樟树具有较为致密的组织结构,其内碳含量较高,这为合成具有丰富微孔/介孔结构的高比表面积活性炭提供了潜在的可能性,且相对现有的使用木屑来制备碳材料的方法产量更高、成本更低廉,得到碳材料的电化学性能更好,因此以樟树为原料制备活性炭具有工业化生产应用的前景。优选的方案,所述活化剂包括Na2CO3、K2CO3、NaOH、KOH中至少一种。较优选的活化剂为NaOH和Na2CO3复合物或KOH和K2CO3复合物。NaOH和Na2CO3复合物中NaOH与Na2CO3的质量比为4:1~4;最优选为4:1。KOH和K2CO3复合物中KOH与K2CO3的质量比为4:1~4;最优选为4:1。选用NaOH和Na2CO3复合活化剂或者KOH和K2CO3复合活化剂能够有效避免樟树炭化过程结构的塌陷,能保持樟树原有的生物质多孔有序结构。如果单独选用K2CO3或Na2CO3活化效果相对较差,而单独选用NaOH或KOH很容易破坏樟树原有生物质多孔有序结构。优选的方案,樟树原料粉末与活化剂的质量比为1:0.5~5;较优选为1:1~4;最优选为1:3,活化剂量过多会导致碳材料的产量很低,活化剂的量过少活化的程度不够,得到的碳材料的性能不好。优选的方案,所述樟树原料粉末的粒度在60~100目之间。采用该粒度范围内的樟树原料粉末,极大地增强了樟树原料粉末与活化剂的接触面积,使炭化/活化过程更加的均匀、充分。优选的方案,所述高能球磨的条件:转速为1000r/min~8000r/min,时间为0.5h~5h,球料比为1:0.5~5。转速优选为2000r/min~6500r/min。时间优选为1~4h。本专利技术的高能球磨并非一般的球磨混合,一般的球磨只能实现物理混合,在高能球磨条件下可以诱发活化剂与樟树原料粉末之间的化学反应,实现对樟树原料粉末之间的活化过程。通过高能球磨活化过程相对一般的活化过程,反应更加均匀、充分,获得的多孔炭孔径更加均匀,孔径集中在1~10纳米范围内的微孔和介孔,电化学活性更好。优选的方案,所述炭化处理的条件:在2~20℃/min的升温速率升温至500~1400℃,保温0.5~5h。较优选的方案,所述炭化处理的条件:在5~10℃/min的升温速率升温至700~1200℃,保温1~3h。优选的方案,保护气氛为氮气或惰性气氛,或者它们的混合气氛。本专利技术还提供了一种樟树基多孔活性炭,其由上述方法制备得到。优选的方案,所述樟树基多孔活性炭的比表面积为600~2800m2/g,孔径以分布在1~10纳米范围内的微孔和介孔为主。所述樟树基多孔活性炭比表面积为1300~2500m2/g,孔径以分布在1~5纳米范围内的微孔和介孔为主。本专利技术还提供了樟树基多孔活性炭在电化学储能中的应用,其作为钠离子电池负极材料应用,或者作为双电层电容器电极材料应用。相对现有技术,本专利技术技术方案具有以下优点:1、本专利技术采用樟树作为炭源,樟树原料来源广,成本低廉,产生的经济价值效益高。2、本专利技术采用樟树原料本身具备网状桥连的有序多孔结构,通过适当的高能球磨和高温炭化工艺后,仍然能保持樟树的原有生物质结构,获得的活性炭孔系结构发达、比表面积大、传质速度快。3、本专利技术采用樟树作为炭源,其碳含量高,炭化产率高,降低了炭材料的生产成本。4、本专利技术采用高能球磨结合高温炭化工艺来制备多孔活性碳材料,相对现有技术获得的活性炭孔径更加均匀,比表面积更高。5、本专利技术采用高能球磨结合高温炭化工艺来制备多孔活性碳材料,相对现有的高温活化和高温炭化两步工艺,更便捷,能耗更低,成本更低。6、本专利技术的炭化过程一步完成,且操作简单、周期短、成本低,满足工业化生产要求。7、本专利技术的樟树基活性炭材料由于其具有特殊的生物质有序多孔结构,具备较高的比表面积和传质速率,作为钠离子电池负极材料展现出了较好的倍率性能,作为双电层电容器电极材料,能显著提高电极容量。附图说明【图1】是实施例1制备的活性炭的氮气吸脱附曲线图。【图2】是实施例2制备的活性炭的扫描电镜图。【图3】是实施例2制备的活性炭的透射电镜图。【图4】是实施例4制备的活性炭的本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔活性炭的方法,其特征在于:将樟树原料粉末与活化剂一起进行高能球磨处理,高能球磨处理所得产物置于保护气氛下进行炭化处理,即得。

【技术特征摘要】
1.一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔活性炭的方法,其特征在于:将樟树原料粉末与活化剂一起进行高能球磨处理,高能球磨处理所得产物置于保护气氛下进行炭化处理,即得。2.根据权利要求1所述的一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔活性炭的方法,其特征在于:所述樟树原料粉末包括樟树木质纤维粉末;所述樟树原料粉末的粒度在60~100目之间;所述活化剂包括Na2CO3、K2CO3、NaOH、KOH中至少一种。3.根据权利要求2所述的一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔活性炭的方法,其特征在于:所述活化剂为NaOH和Na2CO3复合物或KOH和K2CO3复合物。4.根据权利要求3所述的一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔活性炭的方法,其特征在于:所述NaOH和Na2CO3复合物中NaOH与Na2CO3的质量比为4:1~4;所述KOH和K2CO3复合物中KOH与K2CO3的质量比为4:1~4。5.根据权利要求2所述的一种基于高能球磨辅助制备樟树基多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员:纪效波邹国强侯红帅
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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