废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料方法及电化学应用技术

本发明专利技术公开了一种废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料方法及其电化学应用，包括：取适量的剪碎的矿泉水瓶碎片至于管式炉中，在氮气气氛中以3℃min‑1升温，并高温恒定(工艺中以2M NaOH为废气吸收液，吸收因废旧塑料高温炭化产生的酸性气体)；将得到的黑色固体产物用1M～2M盐酸洗涤以除去无机灰分；再用去离子水洗涤至中性，干燥得多孔炭材料。本发明专利技术BET比表面积达716m2g‑1；在电流密度为2A g‑1情况下，循环充放电5000次，电容保留率为91.67％；有效开展废弃物再利用技术研究，具有良好的经济效益、社会效益和广泛的应用前景。

Method for preparing porous carbon material by direct carbonization of waste mineral water bottle and its electrochemical application

The invention discloses a waste mineral water bottle direct carbonization method for preparing porous carbon materials and their electrochemical applications, including: take appropriate cut water bottles for debris in the tubular furnace in a nitrogen atmosphere at 3 DEG C and 1 min heating, high temperature constant (process to 2M NaOH for acid gas exhaust the absorption liquid and absorption of waste plastics generated by high temperature carbonization); the black solid product obtained by 1M ~ 2M hydrochloric acid washing to remove inorganic ash; with deionized water washing to neutral, drying of porous carbon materials. The BET specific surface area of 716m2g 1; when the current density is 2A G 1 cases, 5000 times charge and discharge cycles, the capacitance retention rate was 91.67%; effective implementation of waste recycling technology research, and has good economic benefits, social benefits and broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于炭材料
，尤其涉及一种废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料方法及其电化学应用。
技术介绍
随着社会的进一步发展，人类对能源供应的需求越来越高，更加追求高效、环保的绿色能源。超级电容器(Supercapacitor)又称电化学电容器，是一种介于传统电池与电容器之间的新型储能器件。超级电容器具有的高比功率(大于1kW/kg,甚至达每千克几十千瓦)、长寿命(10万次以上)、宽使用温度(-40℃～60℃)及快速充电(小于3min)等优异特性，使其在航空航天、国防科技、移动通讯以及现代交通工具方面的不断应用，得到了广泛的关注。目前，多孔炭材料的制备方法主要采用催化法、混合聚合物炭化法、有机凝胶炭化法、模板法与直接炭化法等方法制备。催化法、混合聚合物碳化法、有机凝胶碳化法、模板法在制备多孔炭材料过程中制备工艺复杂，从而导致较大的资源浪费和较高的经济成本。直接炭化法因其制备简便、成本低得到广泛的关注。直接炭化法是以有机物及其盐类(Na、Ca、K盐)为碳前驱体，通过热处理制备多孔炭材料。所制备的多孔炭材料具有大比表面积、高孔体积与由微孔(小于2nm)和小介孔(2nm-5nm)组成的孔网络。传统的碳前驱体例如柠檬酸盐、葡萄糖盐、乙二胺四乙酸二钠镁、碱氯乙酸脂，邻苯二甲酸氢钾，酒石酸盐和腐殖酸盐等。另外MinzaeLee等人通过对废弃卷烟过滤嘴的回收热处理制备了一种新型炭材料，减轻了环境压力并进一步创造了价值。这一绿色、环保且高效的回收利用方式为部分废物的再利用提供了有效的途径。根据美国塑料工业协会(SocietyofPlasticsIndustry，SPI)制定的塑料种类标志代码，废弃矿泉水瓶其主要成分为对苯二甲酸乙二醇脂(Polyethylen-eglycol-terephthalate-resin；PET；01)、高密度聚乙烯(High-density-polyethylene；HDPE；02)、聚丙烯(Polyvinylchloride；PVC；03)等。矿泉水瓶在生产过程中常用到其他染料以及助剂如增塑剂、热稳定剂等。反复使用或者加热，容易析出部分有毒致癌物质例如烃类、芳香化合物，使其难以重复使用。综上所述，矿泉水瓶在生产过程中常用到其他染料以及助剂如增塑剂、热稳定剂等。反复使用或者加热，容易析出部分有毒致癌物质例如烃类、芳香化合物，使其难以重复使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料及其制备方法，旨在解决矿泉水瓶在生产过程中常用到其他染料以及助剂如增塑剂、热稳定剂等。反复使用或者加热，容易析出部分有毒致癌物质例如烃类、芳香化合物，使其难以重复使用的问题。本专利技术是这样实现的，一种废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料，所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料由C元素和O元素组成，其摩尔分数分别为91.12％、8.88％。高温热处理过程以N2为气氛保护，(工艺中以2MNaOH为废气吸收液，吸收因废旧塑料高温炭化产生的酸性气体)。本专利技术的另一目的在于提供一种所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料的制备方法，所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，取20g的剪碎的矿泉水瓶碎片至于管式炉中，在氮气气氛中以3℃min-1升温至600℃、700℃、800℃、900℃，并高温恒定0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h；(工艺中以2MNaOH为废气吸收液，吸收因废旧塑料高温炭化产生的酸性气体)；步骤二，将得到的黑色固体产物用1M～2M盐酸洗涤以除去无机灰分；再用去离子水洗涤至中性，80℃～120℃下真空干燥24小时得多孔炭材料。本专利技术的另一目的在于提供一种由所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料制备的超级电容器炭基电极材料。本专利技术的另一目的在于提供一种由所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料制备的电极材料。本专利技术的另一目的在于提供一种由所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料制备的电池。本专利技术提供的废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料及其制备方法，以废旧矿泉水瓶为前驱体，直接碳化法制备多孔炭材料是进一步发挥废旧矿泉水瓶剩余价值的简单、有效方式；活化步骤对于炭材料的结构至关重要；通过0.5h～3h在600℃～900℃的温度范围内热处理废旧矿泉水瓶制备多孔炭材料HDPC-T-X，研究碳化时间/温度对炭材料的影响；作为一种环保的超级电容器炭基电极材料，HDPC-800-2在6MKOH电解质中展现了优异的电容性能(在1Ag-1的电流密度下，比电容为176Fg-1)和循环稳定性(在电流密度为2Ag-1的情况下，经过5000次充放电循环，电容保留率为91.67％)。本专利技术通过对废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料，为废旧矿泉水瓶的回收再利用提供了一条有效的途径；同时，对炭材料微观结构进行表征，研究了碳化温度对炭材料的影响。本专利技术使用直接碳化法回收处理废旧矿泉水瓶制备多孔炭材料；通过XRD与Roman谱图分析，活化步骤对于炭材料的结构具有一定影响，碳化温度尤其明显；HDPC-800-2多孔炭材料，其BET比表面积达716m2g-1。该炭材料在6MKOH电解质溶液中比电容为176Fg-1(电流密度为1Ag-1)且循环稳定性良好(在电流密度为2Ag-1情况下，循环充放电5000次，电容保留率为91.67％)。针对能源资源的日益短缺，以及人们对环保的日趋重视，有效开展废弃物再利用技术研究，有利于充分利用废弃物的剩余价值。对废弃矿泉水瓶开发一种新的再利用技术，避免废旧矿泉水品重复使用带来的危害，对其他废弃物回收再利用也提供了宝贵的经验，具有良好的经济效益、社会效益和广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例提供的废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料的制备方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的HDPC-X-T的粉末X-射线衍射谱图；图中：(a)HDPC-800-T的粉末X-射线衍射谱图；(b)HDPC-X-2的粉末X-射线衍射谱图。图3是本专利技术实施例提供的HDPC-X-2在不同炭化温度条件下的无序结构特征示意图。图4是本专利技术实施例提供的不同炭化温度条件下的多孔炭材料HDPC-X-2的N2等温吸附脱附曲线以及孔径分布曲线示意图。图5是本专利技术实施例提供的通过扫描电镜与透射电镜技术展示了多孔炭材料HDPC-800-2的微观形貌特征示意图。图6是本专利技术实施例提供的HDPC-800-2进行XPS谱图分析示意图。图7是本专利技术实施例提供的碳化温度为800℃时不同恒温时间条件下制备的多孔炭材料的电容性能比较示意图。图8是本专利技术实施例提供的制备的多孔炭材料HDPC-X-2作为超级电容器电极材料进行电化学测试示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。本专利技术实施例提供的废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料由C元素和O元素组成，其摩尔分数分别为91.12％、8.88％。本专利技术实施例提供的多孔炭材料命名为：HDPC-X-T；其中，HDP代表高密度聚乙烯；C代表碳材料；X代表炭化温度(600℃、700℃、800℃、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料，其特征在于，所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料由C元素和O元素组成，所述C元素和O元素摩尔分数分别为91.12％、8.88％。

【技术特征摘要】
1.一种废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料，其特征在于，所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料由C元素和O元素组成，所述C元素和O元素摩尔分数分别为91.12％、8.88％。2.一种如权利要求1所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述废旧矿泉水瓶直接炭化制备多孔炭材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，取20g的剪碎的矿泉水瓶碎片至于管式炉中，在氮气气氛中以3℃min-1升温速率分别升温至600℃、700℃、8...

【专利技术属性】
技术研发人员：雒和明，赵霞，李平，黄思赟，李亚斌，冯辉霞，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62