一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法。将海藻在胶体磨中进行胶磨，再将胶磨过后的产物进行干燥，然后将干燥后的产物进行炭化、酸洗、活化。最后将活化产物进行后处理可得到活性炭。本发明专利技术通过胶磨及干燥，根据机械纤丝化原理，通过机械胶磨有效分离了细胞壁的纤维丝纳米纤丝，形成纳米纤丝化纤维素网络结构，方法绿色环保简单，使得前驱体结构更加均匀，制备的活性炭空隙结构也就更加均匀，从而提高了表面积利用率，提高超级电容器的能量密度。步骤简单、操作方便、实用性强。

Alginate based activated carbon electrode material for supercapacitor and preparation method thereof

The invention provides a seaweed based activated carbon electrode material for supercapacitors and a preparation method thereof. Algae were ground in colloid mill, then the products were dried, then the dried products were carbonized, pickled and activated. Finally, activated carbon can be obtained by post treatment. According to the principle of mechanical fibrillation and the principle of rubber milling and drying, the nanofibrils of cell wall are effectively separated by mechanical rubber milling to form a network structure of nanofibrillated cellulose. The method is green and environmental friendly, making the precursor structure more uniform, and the pore structure of the prepared activated carbon more uniform, thus forming a network structure of nanofibrillated cellulose. The utilization ratio of surface area is improved, and the energy density of super capacitor is improved. The steps are simple, easy to operate and practical.

【技术实现步骤摘要】
一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法
本专利技术属于超级电容器领域，特别涉及一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法。
技术介绍
超级电容器是20世纪70年代兴起的一种新型储能器件，与传统的储能器件相比，其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等优点。目前，超级电容器已广泛应用于车辆、起重装置、激光武器等高科技领域。而超级电容器主要是由电极、电解质、隔膜等原件构成，其中，电极材料对超级电容器的电化学性能起着关键的作用。超级电容器电极材料主要包括，碳电极材料，金属氧化物，导电聚合物。目前工业上使用的超级电容器电极材料主要是碳材料中的活性炭。活性炭储能机理是：通过电荷在活性炭大表面积上的物理吸附和释放实现电容器的充放电。在此过程中，活性炭材料的比表面积大小和孔径结构分布是决定电极材料性能的关键因素。而生物质活性炭由于其原料廉价、绿色环保、制备方法简单而受到重视。常见的制备活性炭的生物质有咖啡豆渣、桐树、甘蔗渣、荔枝树干、木薯皮、杏壳等等。通过炭化、活化得到孔隙结构发达的活性炭电极材料。制备的活性炭比表面积可达到1000-3500m2/g，在水系电解液下的比电容可达到100-300F/g(KOH、H2SO4)。而近些年来，研究人员将活性炭生物质原料从陆地生物拓展到了海洋生物。专利CN201310746693.4公开了采用海藻为原料，利用多价金属阳离子对海藻表面进行交联预处理，再采用炭化、酸洗、KOH活化处理，得到了电化学性能优越的活性炭材料。专利CN201410324597.5公开了一种海藻提取液及其制备方法和应用，制备方法包括：(1)将海藻粉碎成粗粉；(2)将粗粉加入水后用胶体磨进行粉碎和提取；(3)提取液中加入硅藻土和活性炭，搅拌混合；沉降；(4)上清液离心分离；(5)加入晶种冷冻处理；(6)融化过滤；(7)用水复溶。专利CN201710572572.0公开了一种孔径可控的竹质活性炭及其制备方法，通过将竹质材料微细化处理后，与壳聚糖凝胶混炼，使壳聚糖凝胶均匀分散于竹质材料中，进一步与柠檬酸捏合使柠檬酸塑化竹质内部，然后通过胶体磨剪切挤压机使竹材在低温下连续剪切活化，再在高温下用水蒸汽活化，水洗后烘干，得到孔径可控的竹质活性炭。而目前无论陆地生物质还是海洋生物质活性炭，都远低于双电层电容的理论比电容25μFcm-2，即比表面积利用率比较低。这使得电极材料的体积比电容比较低。这是由于生物质活性炭中存在灰分和孔隙结构不均匀等原因导致的。而目前制约超级电容器应用的一个关键问题是体积过大。因此我们要在保证质量比电容的前提下，提高体积比电容。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供了一种通过对海藻原料进行处理，得到电化学性能优越的活性炭的方法。本申请研究发现：海藻类生物与陆生植物的不同在于其没有木质素，不会阻碍室温下纳米纤丝化纤维素(NFC)的化学处理进程。因此，利用这一特性，将海藻放入胶磨机进行机械纤丝化处理，有效分离了海藻细胞壁的纤维丝纳米纤丝，形成纳米纤丝化纤维素网络结构，并使得海藻变为成分、结构相对均一的制备活性炭原料。同时，为了进一步提升活性炭的性能，本申请对胶磨所得原料的后续处理方法进行了系统分析，经大规模实验摸索后发现：将胶磨所得原料再通过炭化、酸洗、活化、酸洗工艺，制备的活性炭孔隙结构分布更加均一，灰分含量更少。所制备的活性炭比表面积利用率高，电化学性能优异。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的目的一是提供一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料的制备方法，包括：1)将海藻在胶体磨进行胶磨、干燥、粉碎；2)将上述粉碎后的海藻进行炭化、洗涤、活化处理，得活化产物；3)将活化产物进行酸洗、水洗、干燥，即得。本申请中“胶磨”是指：通过胶体磨对湿态物料进行超细分散，形成胶状物。本申请的胶体磨可以是JM-132Q型胶体磨、JMS-240A型胶体磨、JMS-180A型胶体磨的任一一种。优选的，所述海藻为：褐藻门、红藻门、绿藻门或蓝藻门。更优选的，所述褐藻门为海带、巨藻、裙带菜或马尾藻；更优选的，所述红藻门为江蓠即龙须菜或麒麟菜；更优选的，所述绿藻门为浒苔或石莼；更优选的，所述蓝藻门为螺旋藻。优选的，所述胶磨的时间为10min～30min，加工细度2-40μm。优选的，所述干燥为烘干或冷冻干燥；优选的，所述过筛为过80目筛。优选的，所述炭化条件为：炭化温度550～900℃，炭化时间60～240min，升温速率5～20℃/min，惰性气体流量0.5～2NL/min。优选的，所述活化方法为物理活化、化学活化或两种活化方法结合。更优选的，所述的物理活化是指在水蒸气、CO2或空气中至少一种气体气氛下于600～900℃下，活化时间为60～240min；更优选的，所述的化学活化的具体步骤为：将炭化得到的碳材料与KOH，NaOH，ZnCl2，K2CO3，CaCl2或H3PO4中的至少一种混合后，在80-100℃浸渍1-2h。本专利技术的目的二是提供了一种任一上述的方法制备的活性炭。本专利技术的目的三是提供了一种活性炭的制备方法，所述活性炭主要用于超级电容器的电极材料。本专利技术的有益效果(1)本专利技术采用洗净的新鲜海藻或者含水海藻为原料，利用机械纤丝化原理，采用胶磨有效分离海藻细胞壁的纤维丝纳米纤丝，形成纳米纤丝化纤维素网络结构，并使得海藻变为成分、结构相对均一的物质，制备出了理化性质不同的原材料。再通过干燥、炭化、酸洗、活化、酸洗的工艺，制备的活性炭孔隙结构更加均匀，灰分更少。所制备的活性炭比表面积利用率高，电化学性能优异。(2)本专利技术采用洗净的新鲜海藻或者含水海藻为原料，在活化工艺之前，通过胶磨、干燥、炭化、酸洗工艺处理，引入了均匀的孔隙结构，更利于活化剂的渗透，开孔，活化剂用量减少。(3)本专利技术步骤简单，容易操作，效果明显，很好的应用前景。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是实施例1中炭化酸洗后得到的多孔炭化物的扫描电镜照片；图2是实施例1制得的活性炭的扫描电镜照片；图3是实施例4中未胶磨处理，炭化酸洗后得到的多孔炭化物的扫描电镜照片；图4是实施例4未胶磨处理，制得的活性炭的扫描电镜照片；图5是实施例1制得的活性炭的透射电镜照片；图6是实施例1制得的活性炭的EDS分析图；图7是实施例1制得的活性炭的孔径分布图；图8是实施例1制得的活性炭的交流阻抗分析；图9是实施例1制得的活性炭的循环伏安图；图10是实施例1制得的活性炭的倍率性能图；图11是实施例1制得的活性炭的在1A/g电流下恒电流充放电曲线；图12是实施例1制得的活性炭的循环性能图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
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申请的示例性实施方式。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，其指明存在特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，包括：1)将海藻在胶体磨进行胶磨、干燥、过筛；2)将上述干燥后的海藻进行炭化、洗涤、活化处理，得活化产物；3)将活化产物进行酸洗、水洗、干燥，即得。

【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，包括：1)将海藻在胶体磨进行胶磨、干燥、过筛；2)将上述干燥后的海藻进行炭化、洗涤、活化处理，得活化产物；3)将活化产物进行酸洗、水洗、干燥，即得。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海藻为：褐藻门、红藻门、绿藻门或蓝藻门。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述褐藻门为海带、巨藻、裙带菜或马尾藻；或所述红藻门为江蓠即龙须菜或麒麟菜；或所述绿藻门为浒苔或石莼；或所述蓝藻门为螺旋藻。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述胶磨的时间为10min～30min，加工细度2-40μm。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥为烘干或冷冻干燥；或所述过筛为过80目筛。6.如权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩奎华，韩旭东，牛胜利，李金晓，李英杰，李明，赵建立，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37