超级电容器用高性能三维多级孔碳微球的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种利用玉米芯等生物质制备超级电容器用三维多级孔碳微球的新方法。具体涉及一种生物质酸降解液在水热下碳化成微球、再经化学活化制备高比容量的超级电容器用三维多级孔碳微球的新方法。本发明专利技术包括具体步骤如下：首先将玉米芯等生物质先通过酸降解为糖类小分子，再将小分子的水解液水热条件下合成碳微球，再将碳微球与碱性活化剂按一定质量比混合进行活化处理，制备超级电容器用高比容量三维多级孔碳微球。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超级电容器用高性能多级孔碳微球的制备方法，具体涉及一种首先将生物质进行降解，再利用降解小分子在水热条件下合成碳微球，将碳微球进行化学活化，制备具有高性能的超级电容器用三维多级孔碳微球的新方法。
技术介绍
在社会经济迅速发展，资源日渐短缺的今天，新型储能元件得到了快速发展，多孔碳由于比表面积大，化学性质稳定，孔隙结构可控，具有一定的导电性等特点在电移动通讯、动汽车、航空航天、信息技术和国防科技等领域广泛应用。目前，超级电容器由于具有充放电速率快、高能力密度和功率密度、优异的循环稳定性以及高稳定性而成为科研工作者们广泛关注的储能设备。根据能源储存机理不同超级电容器可分为双电层和赝电容两种电容器，电极材料是决定超级电容能性能的关键因素之一。包含碳纤维、活性炭、碳纳米管、石墨烯以及多孔碳球的碳材料成为超级电容器广泛应用的电极材料，其中球形多级孔碳材料具有规则形貌、良好的流动性、可调的尺寸和多级孔结构等特征，在电容器应用中能显著降低离子传输阻力，微孔可增大表面积使电容器在小电流下具有较大比电容；介孔能够促进离子传输动力学过程，使大电流下获得较大比容量；而由于碳微球堆积而产生的大孔类似于离子储存容器，有利于电解液离子的扩散和传输，因此制备具有微、介和大孔共存的多孔碳球材料对于提高电容性能十分关键。传统制备多孔碳球的方法分为模板法和催化活化法。然而模板法制备的多孔碳球比表面积较小，不利于电容性能的提高。催化活化法需先合成碳球再经活化处理制备多级孔碳球，而制备碳球的原料多为木糖、葡萄糖、淀粉、胶质、苯等纯净物，因而合成成本较高。因此开发新的碳源合成三维多级孔结构碳微球具有一定研究意义。考虑到环境友好、可持续发展的目标，很多科研工作者将目光瞄准生物质碳源，生物质富含半纤维素、纤维素和木质素，其可有效转化为高值碳材料，然而以生物质为原料制备的多级孔碳材料无规则形貌，因此以其为原料制备规则形貌、多级孔共存的碳球对超级电容器行业的发展具有重要意义。本专利是以玉米芯等生物质为原料，首先将其进行酸降解，再利用降解的小分子在水热条件下合成碳微球，将碳微球进行化学活化，制备具有高比容量的超级电容器用三维多级孔碳球的新方法。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种以玉米芯等生物质为原料制备具有高性能的超级电容器用三维多级孔碳微球的新方法。本专利技术首先将粉碎后的玉米芯与一定浓度硫酸混匀，在40～60℃下水解5～25min，调整糖液中酸浓度，过滤，将滤液在140～180℃温度下水热反应8小时，固体过滤，洗涤、干燥，得到碳微球；将碳微球在400℃热处理后与活化剂按质量比1∶2～5(Kg/Kg)混合，将其在600～900℃下活化反应1小时，固体洗涤、干燥，得到的多级孔碳微球进行电化学性能测试。本专利技术的特征在于：所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钠的混合物。具体实施方式实施例1：将一定量粉碎后玉米芯与65wt％硫酸按固液比1∶8(g/mL)混匀，在50℃下水解15min，调整糖液中酸浓度为30％，过滤，将滤液在160℃温度下水热反应8小时，固体过滤，洗涤、干燥，得到碳微球；将碳微球在400℃热处理后与氢氧化钾按质量比1∶4(Kg/Kg)混合，将其在800℃下活化反应1小时，固体洗涤、干燥，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，以6mol/L的氢氧化钾为电解液，在0～1.0v电压范围内，测得比容量为263F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。实施例2：改变碳微球与氢氧化钾用量比为1∶3，其他条件同实施例1，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为245F/g，循环5000次容量保持率为95％左右。实施例3：改变碳微球与氢氧化钾用量比为1∶5，其他条件同实施例1，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为236F/g，循环5000次容量保持率为94％左右。实施例4：改变碳微球与氢氧化钾用量比为1∶2，其他条件同实施例1，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为220F/g，循环5000次容量保持率为94％左右。实施例5：改变活化剂为氢氧化钠，碳微球与NaOH按质量比1∶3(Kg/Kg)混合，将其在700℃下活化反应1小时，其他条件同实施例1，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为225F/g，循环5000次容量保持率为95％左右。实施例6：改变碳微球与活化剂用量比为1∶4，其他条件同实施例5，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为201F/g，循环5000次容量保持率为94％左右。实施例7：改变活化温度为800℃，其他条件同实施例5，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为183F/g，循环5000次容量保持率为95％左右。实施例8：改变活化剂为氢氧化钾和氢氧化钠的混合物，碳微球与混合活化剂比1∶4(Kg/Kg)混合，将其在800℃下活化反应1小时，其他条件同实施例1，得到的三维多级孔碳微球进行电化学性能测试，比电容为247F/g，循环5000次容量保持率为96％左右。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器用高性能三维多级孔碳微球的制备方法，其具体步骤如下：首先将粉碎后的一定量玉米芯与65wt％硫酸混匀，在40～60℃下水解5～25min，调整糖液中酸浓度，过滤，将滤液在140～180℃温度下水热反应8小时，固体过滤，洗涤、干燥，得到碳微球；将碳微球在400℃热处理后与活化剂按质量比1∶2～5(Kg/Kg)混合，将其在600～900℃下活化反应1小时，固体洗涤、干燥，得到的多级孔碳微球进行电化学性能测试。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器用高性能三维多级孔碳微球的制备方法，其具体步骤如下：首先将粉碎后的一定量玉米芯与65wt％硫酸混匀，在40～60℃下水解5～25min，调整糖液中酸浓度，过滤，将滤液在140～180℃温度下水热反应8小时，固体过滤，洗涤、干燥，得到碳微球；将碳微球在400℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽丽，杨坤龙，逯文启，吴晓芬，李艳婷，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12