一种高导电性的活性炭及其制备与用途制造技术

一种高导电性的活性炭及其制备与用途，所述高导电性的活性炭的直径为0.1～30μm，长径比为1：1～200000：1，其碳层晶面内平均长度(对应英文为in‑plane length)为10‑30nm,比表面积为1000～2300m

A High Conductivity Activated Carbon and Its Preparation and Application

A highly conductive activated carbon and its preparation and use. The diameter of the highly conductive activated carbon is 0.1-30 um, the ratio of length to diameter is 1:1-200 000:1, the average length of the carbon layer in plane (corresponding in plane length) is 10_30 nm, and the specific surface area is 1000-2300 M.

【技术实现步骤摘要】
一种高导电性的活性炭及其制备与用途
本专利技术属于碳材料及其制备
，特别涉及一种高导电性的活性炭及其制备与用途。
技术介绍
双电层电容器是一类基于电解液/电极界面的物理储能器件，具有充放电快，不放热，功率密度大，安全寿命长的特点，广泛应用于各种重型设备的启动，大功率系统的激发，以及快速储能与转移的能量吸附领域，以及需要长周期待机时保持可靠性的备用电源等。这类电容器常用比表面积大的活性炭，碳纳米管及石墨烯等做电极材料，尽量兼顾导电性、化学稳定性、适宜孔结构与加工特性等多种要求。在传输特性上，既需要满足长程的电子导电要求，又需要满足短程的离子扩散要求。碳纳米管与石墨烯等材料很好地满足了这一要求，但其振实密度太低，吸液量过大，导致基于器件的能量密度不高。在加工特性方面，活性炭由于颗粒大，振实密度大，吸附液量小而被广泛采用，但是其微孔太多，导电性太差，制约了性能发挥。上述材料的基本特性，导致了活性炭基双电层电容器的性能很难再提高。同时也导致了碳纳米管与石墨烯基双电层电容器产业化步伐迟缓。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高导电性的活性炭及其制备与用途，该活性炭的导电性等于或优于碳纳米管或石墨烯，远优于传统活性炭，化学结构稳定性远优于传统活性炭，吸液量、振实密度又介于二者之间，从而具有目前已知最好的综合电容器件性能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高导电性的活性炭，基本形状为片状、颗粒状、块状或长丝状，其中长丝状与颗粒状对电容应用最重要。直径为0.1～30μm，长径比为1：1～200000：1；其碳层晶面内平均长度(对应英文为in-planelength)为10-30nm，0.7-5nm的孔占总孔容的65-90％，比表面积为1000～2300m2/g；导电率在40-350S/cm，振实密度为150-750kg/m3。本专利技术还提供了一种制备所述高导电性的活性炭的方法，包括如下步骤：步骤1：将聚合物预氧化丝置于反应器中，在载气中升温至500-1200℃，保持1-24小时；步骤2：然后切换气体，通入H2O和/或CO2气体进行造孔与碳层排列结构整形，其中气体的空速为0.1-300L/kg预氧化丝/h，在500-1200℃下处理0.1-24小时后，关闭H2O和/或CO2气体，在惰性气体保护下，降至室温，取出所得产物，得到直径与长径比不变或减小的高导电性的活性炭。优选地，所述聚合物预氧化丝的外径为0.5-30μm，长径比为1:1～200000：1。聚合物预氧化丝，是根据聚合物的性质，采用高温控制性气相氧化或低温氧化性的酸(如硫酸)或其他溶液(如高锰酸钾，重铬酸钾等)液相氧化的方法得到。通过预氧化，去掉聚合物中的大部分氢元素，保留大部分碳元素，并形成一定的孔。优选地，所述聚合物可以为聚丙烯腈，聚苯乙烯，聚氨酯，聚碳酸酯，芳纶，聚醚，聚乙烯醇，聚烯烃，酚醛树脂，环氧树脂，聚噻吩，聚甲醛，聚苯胺，聚吡啶，聚吡咯，聚乙炔，聚环氧乙烷中的一种或多种，其特性为在H2O，CO2介质中活化时，能够留下碳骨架的任意聚合物。优选地，所述载气为氮气、氩气、氢气、CO中的一种或多种。优选地，所述惰性气体为氮气和/或氩气。本专利技术所述高导电性的活性炭可用作超级电容器的电极材料，当用于4V的超级电容器的电极材料时，在10A/g扫速下比电容为100-250F/g。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术使用的方法简单，能够制备长径比范围较大的导电活性炭及其纤维。同时孔径与比表面积可调。用作电容电极材料时，比目前市售活性炭基电容器的高功率下寿命提高1-2倍。或单位时间的储电成本降低20-50％。2)所得产品可为颗粒，也可为宏观的一维线性纤维结构，方便加工。与目前已报道的碳纳米管纤维，石墨烯纤维相比，构成的电容器件，质量能量密度提高50-200％。3)用作气体或液体的吸附材料时，同等吸附效率下，比目前的活性炭产品，压降低5-10％。比目前的碳纳米材料的产品，处理强度提高50-300％。可见，本专利技术制备方法简单，所得产品纯度高，振实密度大，结构完整，机械强度强，可适用于做分离、吸附材料或电化学储能的电极材料。具体实施方式下面结合实施例详细说明本专利技术的实施方式。实施例1将聚丙烯腈预氧化丝(外径为0.5μm，长径比为200000：1)置于反应器中，在氩气中升温至1200℃，保持1小时。然后切换气体，通入H2O，气体的空速为0.1L/kg预氧化丝/h,在1000℃下处理4小时后，关闭H2O。在氩气保护下降至室温。产品外径为0.1μm，长径比为200000：1，比表面积为2300m2/g，0.7-5nm的孔占总孔容的90％。其碳层晶面内平均长度(对应英文为in-planelength)为30nm。导电率在350S/cm。振实密度为350kg/m3。在4V的超级电容器(以EMIBF4为电解液)中，在10A/g的扫速下，电极材料的比电容为250F/g。实施例2将聚丙烯腈预氧化丝、聚丙烯预氧化丝及聚乙烯预氧化丝(质量分数为50％，40％，10％，外径均为10μm，长径比为1：1)置于反应器中，在氢气中升温至900℃，保持6小时。然后切换气体，通入CO2，气体的空速为300L/kg预氧化丝/h,在同温度下处理4小时后，关闭CO2，在氮气保护下降至室温。产品为外径为5μm，长径比为1：1，比表面积为1600m2/g，0.7-5nm的孔占总孔容的70％。其碳层晶面内平均长度(对应英文为in-planelength)为10nm。导电率在40S/cm。振实密度为700kg/m3。在4V的超级电容器(以EMIBF4为电解液)中，在10A/g的扫速下，电极材料的比电容为150F/g。实施例3将聚乙烯醇预氧化丝(外径为0.3μm，长径比为100：1)置于反应器中，在氮气中升温至500℃，保持1小时；然后切换气体，通入10％H2O与90％CO2，气体的空速为100L/kg预氧化丝/h,在同温度下处理24小时后，关闭H2O与CO2，在氮气保护下降至室温。产品外径为0.1μm，长径比为100：1，比表面积为1000m2/g。0.7-5nm的孔在总孔容中占65％。其碳层晶面内平均长度(对应英文为in-planelength)为15nm。导电率在140S/cm。振实密度为750kg/m3。在4V的超级电容器(以EMIBF4为电解液)中，在10A/g的扫速下，电极材料的比电容为100F/g。实施例4将聚苯乙烯预氧化丝、聚醚预氧化丝、聚乙烯醇预氧化丝(质量分数分别为20％，30％，50％，外径为5μm，长径比为10000：1)置于反应器中，在载气(50％氢气,30％与20％氩气)中升温至950℃，保持24小时；然后切换气体，通入CO2，气体的空速为50L/kg预氧化丝/h,在同温度下处理2小时后，关闭H2O与CO2气体，在40％氩气与60％氮气保护下降至室温。产品外径为3μm，长径比为10000：1，比表面积为1800m2/g。0.7-5nm的孔在总孔容中占87％。其碳层晶面内平均长度(对应英文为in-planelength)为20nm。导电率在150S/cm。振实密度为500kg/m3。在4V的超级电容器(以EMIBF4为电解液)中，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导电性的活性炭，其碳层晶面内平均长度为10‑30nm，0.7‑5nm的孔占总孔容的65‑90％，比表面积为1000～2300m

【技术特征摘要】
1.一种高导电性的活性炭，其碳层晶面内平均长度为10-30nm，0.7-5nm的孔占总孔容的65-90％，比表面积为1000～2300m2/g；导电率在40-350S/cm，振实密度为150-750kg/m3。2.根据权利要求1所述制备高导电性活性炭，其特征在于，其形状为片状、颗粒状、块状或长丝状。3.根据权利要求1或2所述制备高导电性活性炭，其特征在于，其直径为0.1～30μm，长径比为1：1～200000：1。4.一种制备权利要求1所述高导电性的活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将聚合物预氧化丝置于反应器中，在载气中升温至500-1200℃，保持1-24小时；步骤2：然后切换气体，通入H2O和/或CO2气体，气体的空速为0.1-300L/kg预氧化丝/h，在500-1200℃下处理0.1-24小时后，关闭H2O和/或CO2气体，在惰性气体保护下，降至室温，取出所得产物。5.根据权利要求4所述制备高导电性活性炭的方法，其特征在于，所述聚合物预氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：骞伟中，呼日勒朝克图，崔超婕，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11