一种超级电容器用姜秸秆基活性炭及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超级电容器用姜秸秆基活性炭及其制备方法，选取收获后的姜秸秆，进行脱水干燥处理；将干燥后的姜秸秆用粉碎机粉碎至粉状物，置于干燥器中待用；将粉碎后的姜秸秆粉于惰性气体气氛下进行炭化；待炭化工艺结束，将所得炭化物进行酸洗，除去其中的杂质与灰分，然后将所得炭化物用碱金属氢氧化物浸渍，然后置于惰性气体气氛下进行活化；待活化工艺结束后，将所得的姜秸秆基多孔活性炭进行洗涤，除去其中的有机和无机杂质并干燥，即可得到超级电容器用姜秸秆基活性炭材料。本发明专利技术制备过程清洁，产品结构多样可调控，电容性能高倍率性能优异，且随着质量电流的增加，比电容数值衰减缓慢。

Ginger straw based activated carbon for supercapacitor and preparation method thereof

The invention discloses a ginger straw-based activated carbon for supercapacitor and a preparation method thereof. The harvested ginger straw is selected for dehydration and drying treatment, the dried ginger straw is crushed to powder by a pulverizer and put in a dryer for use, and the crushed ginger straw is crushed in an inert gas atmosphere for carbonization. At the end of the process, the obtained carbides are pickled, impurities and ash are removed, and then the obtained carbides are impregnated with alkali metal hydroxides, then activated in inert gas atmosphere; after the end of the activation process, the obtained ginger straw-based porous activated carbon is washed to remove the organic and non-organic matter. The ginger straw based activated carbon material for supercapacitor can be obtained by machine impurity and drying. The preparation process of the invention is clean, the product structure is various and controllable, the capacitance performance is high rate performance is excellent, and the specific capacitance value decays slowly with the increase of the mass current.

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容器用姜秸秆基活性炭及其制备方法
本专利技术属于活性炭材料及炭化活化制备工艺领域，具体设计一种具有优异倍率性能的超级活性炭用姜秸秆基活性炭材料及其炭化活化制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器又称大容量电容器、电化学电容器或双电层电容器，是一种介于电池和普通电源之间兼备二者特点的新型储能器件。具有超高电容量、高比功率、充电速度快、使用寿命长、低温性能优越、漏电电流极小、放置时间长、使用温度范围宽、免维护、安全环保等特点。目前多应用于电子行业、电动汽车与混合动力汽车、太阳能与风力发电、军事领域以及工业领域等。美国、欧洲、日本等也在进行超级电容器的研究。电极材料是超级电容器的核心部件，对超级电容器的性能起着关键性作用，因此研发具有优异电化学性能的电极材料是超级电容器研究中最核心的内容。电极材料主要有多孔炭材料、金属氧化物和导电聚合物3大类，其中多孔炭材料因其良好的充放电稳定性而受到学术界和工业界的广泛关注，也是目前唯一已经工业化的电极材料。可用作超级电容器电极材料的多孔炭主要有活性炭、炭气凝胶、炭纳米管等，其中活性炭因具有比表面积大、孔结构丰富、化学稳定性高、导电性好、易反复使用、价格低廉以及制备工艺简单等优点，一直是制备超级电容器电极的首选材料。目前在超级电容器的各种电极材料中，以生物质为原料通过化学活化方法制备的碳材料具有较高的比表面积，是一种较为理想的超级电容器电极材料。生物质是一种重要的活性炭制备原材料，常用的主要是传统的农林业生物质，包括各种农作物秸秆，木材、果壳、果核、稻壳等。李学良等人公开了一种以秸秆制作有机系超级电容器用活性炭材料的方法，其中的秸秆包括油菜秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆、芝麻秸秆、竹笋衣，虽然由以上秸秆制备的有机系超级电容器用活性炭具有较大的比电容值，但是其比电容值在高电流密度下衰减相对严重，不适合在较大电流下操作条件下使用。因此，目前有必要开发一种新型的超级电容器用的生物质超级活性炭及其制备方法，以解决现有的产品结构单一、电容性能低、成本高且随着质量电流增加比电容衰减较大的问题。
技术实现思路
针对以上现有技术，本专利技术的目的是解决现有产品结构单一，电容性能低，成本高且随着质量电流增加比电容衰减较大的问题，因此，本专利技术提出一种具有优异倍率性能的超级电容器用姜秸秆基活性炭材料及其炭化活化制备方法，制备过程清洁，步骤简单，产品结构多样可调控，电容性能高倍率性能优异，制造成本低。具体的：本专利技术的目的之一是提供一种姜秸秆在制备超级电容器的电极材料中的应用。本专利技术的目的之二是提供一种姜秸秆基超级活性炭的制备方法。本专利技术的目的之三是提供一种姜秸秆基超级活性炭。本专利技术的目的之四是提供一种姜秸秆基超级活性炭在超级电容器中的应用。本专利技术的目的之五是提供一种用于超级电容器的电极材料。为实现上述目的，本专利技术具体采用以下技术方案：在本专利技术的第一个方面，提供一种姜秸秆在制备超级电容器的电极材料中的应用。在本专利技术的第二个方面，提供一种姜秸秆基超级活性炭的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)原料准备：选取姜秸秆，清洗去除杂质脱水后干燥；(2)前驱体的制备：将干燥后的姜秸秆粉碎至粉末状；(3)炭化：将粉末状的姜秸秆在惰性气体气氛下进行炭化；(4)酸洗：将炭化得到的炭化物进行酸洗；(5)活化：将酸洗后的炭化物用氢氧化钾溶液中浸渍，浸渍后将其进行活化；(6)洗涤干燥：将活化后的产物进行洗涤干燥得到姜秸秆基超级活性炭。在本专利技术的第三个方面，提供一种采用上述方法制备得到的姜秸秆基超级活性炭。在本专利技术的第四个方面，提供一种上述姜秸秆基超级活性炭在超级电容器中的应用。在本专利技术的第五个方面，提供一种用于超级电容器的电极材料，该电极材料是采用上述姜秸秆基超级活性炭制备得到。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：(1)采用氢氧化钾炭化活化法制备相应的姜秸秆基多孔活性炭材料，操作简易，且只通过改变炭化的温度，炭化的时间以及炭碱比就能够调控所得的活性炭样品的孔径分布范围其作为超级电容器的电极材料，可分别具有优异倍率性能，并且在质量电流增大时比电容的衰减量相对更低，具有潜在应用价值。(2)本专利技术所选的姜秸秆中富含钾以及相比于其他生物质相对更多的硼元素，钾在活化过程中有着促进扩孔活化的作用，而硼元素在制备活性炭过程中所起到的好处是可以让活性炭表面润湿性得到提高电解质与电极界间的阻抗减小，可产生法拉第赝电容从而有效提高活性炭的比电容量，且姜秸秆中硅元素含量低，不溶于盐酸的盐分含量更低，更易酸洗。提供了一种有效解决姜产地姜秸秆的高值化利用方法。(3)该工艺可以高效制备收集姜秸秆热解过程中萜、酚、酸、醛等化学品，回收姜秸秆中钾、硼等肥料元素。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为实例1制备的姜秸秆基活性炭(800℃)N2吸附-脱附等温线。图2为实例1制备的姜秸秆基活性炭(800℃)孔径分布范围图。图3为实例1制备的姜秸秆基活性炭(800℃)恒电流充放电曲线。图4为实例1制备的姜秸秆基活性炭(800℃)循环伏安特性曲线。图5为实例1制备的姜秸秆基活性炭(800℃)倍率性能。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中作为超级电容器电极材料的生物质活性炭存在一定的不足，为了解决如上的技术问题，本专利技术提出了一种姜秸秆在制备超级电容器的电极材料中的应用。在本专利技术中，姜秸秆有着非常高的钾元素含量，在灰分含量中为70～80(w/w)％，非常低的硅元素含量，在灰分含量中小于等于2.5(w/w)％，以及相比其他秸秆不同的一定的硼元素含量，在灰分含量中为5～10(w/w)％。经过本专利技术的研究验证，姜秸秆中富含钾以及相比于其他生物质相对更多的硼元素，钾在活化过程中有着促进扩孔活化的作用，而硼元素在制备活性炭过程中所起到的好处是可以让活性炭表面润湿性得到提高电解质与电极界间的阻抗减小，可产生法拉第赝电容从而有效提高活性炭的比电容量，且姜秸秆中硅元素含量低，不溶于盐酸的盐分含量更低，更易酸洗。另外，本专利技术选取姜秸秆作为超级电容器的电极材料，解决了姜产地姜秸秆难处理多污染的问题。在本专利技术优选的实施方式中，所述姜秸秆原料来自中国山东，绿色新鲜姜秸秆于霜降前的收获季得到。姜秸秆的灰分元素如表1所示。表1姜秸秆的灰分元素含量分析(质量百分比％)在本专利技术一个典型的实施方式中，提供一种姜秸秆基超级活性炭的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)原料准备：选取姜秸秆，清洗去除杂质脱水后干燥；(2)前驱体的制备：将干燥后的姜秸秆粉碎至粉末状；(3)炭化：将粉末状的姜秸秆在惰性气体气氛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.姜秸秆在制备超级电容器的电极材料中的应用。

【技术特征摘要】
1.姜秸秆在制备超级电容器的电极材料中的应用。2.一种姜秸秆基超级活性炭的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：(1)原料准备：选取姜秸秆，清洗去除杂质脱水后干燥；(2)前驱体的制备：将干燥后的姜秸秆粉碎至粉末状；(3)炭化：将粉末状的姜秸秆在惰性气体气氛下进行炭化；(4)酸洗：将炭化得到的炭化物进行酸洗；(5)活化：将酸洗后的炭化物用氢氧化钾溶液中浸渍，浸渍后将其进行活化；(6)洗涤干燥：将活化后的产物进行洗涤干燥得到姜秸秆基超级活性炭。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(1)中，采用压榨脱水；步骤(2)中，粉碎目数为60-300目。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(3)中，炭化是在氮气或者氩气气氛下，炭化终温为600-700℃，炭化时间30-120min，升温速率为3-10℃/min。5.如权利要求2所述的制备方法，其特征是：步骤(4)中，酸洗是用0.1mol/L～6mol/L的盐酸溶液。6.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩奎华，王加敏，齐建荟，牛胜利，赵建立，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37