一种活性炭微球及其制备方法技术

一种活性炭微球及其制备方法，本发明专利技术之活性炭微球直径为3～10微米，其比表面积为803～1109 m2 g‑1，孔隙主要为微孔，掺氮量为2.0～6.6%。本发明专利技术还包括所述活性炭微球的制备方法。本发明专利技术工艺简单，成本低，所使用的模板及掺氮试剂是g‑C3N4量子点，可以通过高温轻易的除去。所获得的活性炭产率高、比表面积高、超级电容器阻抗性能好、石墨化程度高、超级电容器比容性能好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种活性炭微球及其制备方法，属于活性碳材料领域。
技术介绍
电极材料是限制超级电容器性能的一重要因素，活性炭具有良好的导电性，高比表面积，电化学稳定，多孔结构，循环寿命长，大的比电容以及相对较低的成本等优势(“An activated carbon with high capacitance from carbonization of a resorcinol-formaldehyde resin”Electrochemistry Communications,2009,11:715-718)，所以其引起了大部分学者的关注。活性炭电极材料的电化学性能主要由前驱体种类和材料活化方法来控制，而材料的电容性能却由炭材料孔径分布、比表面积、电导率以及部分官能团控制(“Microstructure and electrochemical double-layer capacitance of carbon electrodes prepared by zinc chloride activation of sugarcane bagasse”Journal of Power Sources,2010,195:912-918)。炭材料的活化过程是通过化学反应消除材料中一部分碳原子，从而达到增加材料比表面积、改变孔隙率(“Influence of the activating agent and the inert gas used in an activation process for the porosity development of carbon nanofibers”Journal of Colloid and Interface Science,2009,336:712-722)以及修饰材料官能团结构的目的。目前已有报导，使用不同前躯体，如阳离子淀粉、葡萄糖、木屑、甘蔗渣以及咖啡壳来制备超级电容器用活性炭电极材料。以葡萄糖为前驱体制备的活性炭微球直径在0.5μm左右，比表面为815m2g-1，超级电容器阻抗性能较差，产率较低(“Lower-temperature synthesis of nanosized disordered carbon spheres as anode material for lithiumion batterie”Materials Letters,2007:13-17)。现有技术中暂时没有以g-C3N4量子点为模板合成活性炭微球的技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有材料性能的不足，提供一种比表面积高、直径大的活性炭微球及其制备方法，以g-C3N4量子点为模板合成活性炭微球。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：本专利技术之活性炭微球，直径为3～10微米(μm)，其比表面积为803～1109m2g-1，孔隙主要为微孔，掺氮量为2.0～6.6％。本专利技术之活性炭微球的制备方法，包括以下步骤：(1)备料：制备g-C3N4量子点，配置0.1～1mol/L的葡萄糖溶液；g-C3N4量子点的制备方法，参考“Polymer Nanodots of Graphitic Carbon Nitride as Effective Fluorescent Probes for the Detection of Fe3+and Cu2+ions”Nanoscale,2014,6(8):4157-62；(2)水热：取步骤(1)制备的g-C3N4量子点0.05～0.5g与步骤(1)配置的葡萄糖溶液45～80mL混合，将混合溶液在150～180℃下水热5～10h，再取出冷却，得到碳凝胶；(3)洗涤：取步骤(2)得到的碳凝胶先水洗1～2次，随后再用乙醇洗涤1～3次，以洗涤液澄清为洗涤干净的标准；将洗干净的碳凝胶在60～100℃下干燥24～48h除去水分；(4)炭化：取步骤(3)干燥好的碳凝胶，放于管式炉中在氮气保护下炭化，炭化温度为700～900℃，升温速率为5～20℃/min，在700～900℃保温1～4h，所得产物即为超大直径掺氮葡萄糖基炭球；(5)活化：取步骤(4)所得超大直径掺氮葡萄糖基炭球，放于管式炉中，在空气中，以5～20℃/min的升温速率，升温至300～600℃，保温活化50～120min，所得产物即为活性炭微球。本专利技术所得活性炭微球直径为3～10微米(μm)，其比表面积为803～1109m2g-1，孔隙主要为微孔，掺氮量为2.0～6.6％，氮的主要形式为吡啶氮和吡咯氮。所得活性炭在2Ag-1时超级电容器质量比容为193～281F g-1，并且具有极好的超级电容器阻抗性能。g-C3N4量子点是一种边缘官能团多、含氮量高、高温易分解以及具有石墨化结构的二维材料(“Polymer Nanodots of Graphitic Carbon Nitride as Effective Fluorescent Probes for the Detection of Fe3+and Cu2+ions”Nanoscale,2014,6(8):4157-62)，而掺氮的炭材料可以通过富氮的添加试剂来获得。一般情况下活性炭电极材料可以通过某些含氮基团来增加其比电容以及润湿性。因此，我们相信g-C3N4量子点是一种可以对活性炭掺氮并且有可能全方位提升活性炭性能的一种材料。本专利技术具有以下突出优点：(1)所用模板为g-C3N4量子点，工艺简单，成本低，含氮量较高的g-C3N4量子点可以对活性炭微球掺氮以及造孔，并且可以通过高温轻易的除去。(2)所获得的活性炭比表面积高(803～1109m2g-1)，孔隙主要是微孔对超级电容器比容性能提高大。(3)所获得活性炭直径大，孔隙分布合理，因此超级电容器阻抗性能优异。(4)材料在环保、能源、国防以及化工领域将具有广泛的应用。附图说明图1是本专利技术实施例1制得的活性炭微球(H-AC)的扫描电镜图；图2是本专利技术对比例1制得的活性炭微球(AC)的扫描电镜图；图3是本专利技术实施例1以及对比例1制得的活性炭微球的吸附-脱附曲线；图4是本专利技术实施例1以及对比例1制得的活性炭微球的拉曼图谱；图5是本专利技术实施例1以及对比例1制得的活性炭微球的X射线光电子能谱；图6是本专利技术实施例1以及对比例1制得的活性炭微球的电化学交流阻抗谱图；图7是本专利技术实施例1以及对比例1制得的活性炭微球的电化学恒流充放电数据。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。实施例1(1)备料：参考前人的研究(“Polymer Nanodots of Graphitic Carbon Nitride as Effective Fluorescent Probes for the Detection of Fe3+and Cu2+ions”Nanoscale,2014,6(8):4157-62)，制备g-C3N4量子点；配置1mol/L的葡萄糖溶液；(2)水热：取步骤(1)制备的g-C3N4量子点0.1g，与步骤(1)配置的葡萄糖溶液45mL混合，将混合溶液在180℃下水热10h后取出冷却，得到碳凝胶；(3)洗涤：取步骤(2)得到的碳凝胶先水洗2次，随后再用乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活性炭微球，其特征在于，所述活性炭微球，直径为3～10 微米，其比表面积为803～1109 m2 g‑1，孔隙主要为微孔，掺氮量为2.0～6.6%。

【技术特征摘要】
1.一种活性炭微球，其特征在于，所述活性炭微球，直径为3～10 微米，其比表面积为803～1109 m2 g-1，孔隙主要为微孔，掺氮量为2.0～6.6%。2.制备如权利要求1所述活性炭微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）备料：制备g-C3N4量子点，配置0.1～1 mol/L的葡萄糖溶液；（2）水热：取步骤（1）制备的g-C3N4量子点0.05～0.5 g与步骤（1）配置的葡萄糖溶液45～80 mL混合，将混合溶液在150～180℃下水热5～10 h，再取出冷却，得到碳凝胶；（3）洗涤：取步骤（2）得到的碳凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚增勇，颜廷楠，刘恩辉，蒋振华，李公义，李义和，李效东，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43