一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法，属于能源材料技术领域。本发明专利技术先将五氧化二磷、无水乙醇和微晶纤维素和硫酸溶液混合后，恒温搅拌反应，再经减压浓缩，得浓缩液；将浓缩液继续恒温搅拌反应后，真空干燥，得干燥料；再将干燥料，石灰乳混合后水热反应，过滤，酸洗，水洗，干燥，得干燥酸洗滤饼；将干燥酸洗滤饼和浓磷酸搅拌混合后，升温活化，再经过滤，洗涤，干燥，得磷酸活化料；再将磷酸活化料、纳米铁粉、氟化钠、聚四氟乙烯和无水乙醇搅拌混合后压制成型，再经高温烧结，冷却，出料，即得生物陶瓷复合多孔电极材料。本发明专利技术技术方案制备的生物陶瓷复合多孔电极材料具导电性能优异，孔隙率和比表面积高的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法
本专利技术公开了一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法，属于能源材料

技术介绍
随着工业化的快速发展，人口数量的急剧增加和矿石燃料（煤、石油和天然气等）的不断消耗，能源短缺和环境污染等问题日益严重。因此，清洁高效地利用能源成为解决上述问题的关键。超级电容器是一种新型的电能存储器件，具有功率密度高（10kWkg-1）、循环寿命长（>100，000次循环）及倍率性能优越等特性，在工业、运输业和军事上得到广泛应用。超级电容器主要有两种类型，即双电层超级电容器和赝电容超级电容器。前者利用离子电荷的物理吸附存储电能，其中电极材料主要是碳材料，如活性炭，石墨烯和碳纳米管等。它们具有优异的导电性，因此，其倍率性能优异；但受限于其比表面积，其比电容较小（<300Fg-1），能量密度也较小（<10Whkg-1）。赝电容超级电容器主要过渡金属化合物，利用过渡金属的价态可变化性能（可逆氧化还原反应）实现电荷的存储与释放。赝电容电极材料比碳材料具有更高的比电容和能量密度，但是其较差的导电性降低了其倍率性能和功率密度，此外其循环性能也比碳材料差。因此，基于以上两类电容器电极材料的性能，研制高性能的碳基复合材料成为目前研究的热点。尽管新兴的石墨烯和碳纳米管等得到很多关注，但其电容性能与活性炭接近，且其制作成本远高于活性炭，故而现阶段尚不能实现大规模的工业化生产。并且，它们本身易发生堆叠现象，尤其在复合赝电容材料后，比表面积大幅下降，造成双电层效应随之亦大幅降低，不利于双层电容器电荷存储效应与赝电容效应的有效发挥。而传统的多孔炭质电极材料在制备过程中，容易发生孔隙结构塌陷，而导致多孔炭孔隙率和比表面积下降，而影响产品电化学性能的弊端，因此，如何使多孔电极材料发挥更好的性能成为了本
亟待解决的技术问题之一。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是：针对传统多孔炭质电极材料在制备过程中，容易发生孔隙结构塌陷，而导致多孔炭孔隙率和比表面积下降，而影响产品电化学性能的弊端，提供了一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法，具体制备步骤为：（1）按重量份数计，依次取20～30份五氧化二磷，60～80份无水乙醇，60～80份微晶纤维素，100～200份硫酸溶液，先将五氧化二磷、无水乙醇和微晶纤维素加入反应釜中，于恒温搅拌状态下，缓慢滴加硫酸溶液，待硫酸溶液滴加完毕后，继续恒温搅拌反应4～6h，再经减压浓缩，得浓缩液；（2）将浓缩液继续恒温搅拌反应2～3h后，真空干燥，得干燥料；（3）按重量份数计，依次取60～80份干燥料，8～10份石灰乳，水热反应4～6h后，过滤，酸洗，水洗，干燥，得干燥酸洗滤饼；（4）将干燥酸洗滤饼和浓磷酸按质量比为1：3～1：8搅拌混合后，升温活化，再经过滤，洗涤，干燥，得磷酸活化料；（5）按重量份数计，依次取100～150份磷酸活化料，20～25份纳米二氧化硅，3～5份纳米铁粉，2～4份氟化钠，20～30份聚四氟乙烯，8～10份无水乙醇，搅拌混合后，压制成型，得坯料，再将坯料于惰性气体保护状态下，升温至1400～1500℃，保温烧结3～5h后，冷却，碱洗，干燥，出料，即得生物陶瓷复合多孔电极材料。步骤（1）所述微晶纤维素为极限聚合度为100～180的微晶纤维素。步骤（1）所述硫酸溶液为质量分数为45～50%的硫酸溶液。步骤（1）所述缓慢滴加为以6～8mL/min速率进行滴加。步骤（3）所述石灰乳为质量浓度为100～180g/L氢氧化钙悬浊液。步骤（4）所述升温活化为：以3～5℃/min速率程序升温至360～380℃，保温活化3～5h。步骤（5）所述惰性气体为氮气、氦气或氩气中的任意一种。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术技术方案首先以五氧化二磷、无水乙醇和微晶纤维素为原料，在硫酸溶液催化条件下，使微晶纤维素逐渐发生水热炭化，而随着硫酸溶液的浓缩，浓度提高后，催化五氧化二磷和无水乙醇脱水生成磷脂，磷脂可在石灰乳碱性条件下发生水解，水解产物和钙离子结合逐渐生成羟基磷酸钙，且一旦有羟基磷酸钙晶核产生即可被微晶纤维素反应生成的水热炭吸附，从而使羟基磷酸钙晶体以纳米结晶良好分散在水热炭孔隙结构中，而在后续磷酸活化过程中，随着温度的升高，水热炭内部发生进一步的脱水和交联反应，在水热炭内部形成丰富的孔隙结构，形成的交联网络可将水热炭吸附的羟基磷灰石进一步固定在交联网络结构中，使其发挥良好的增强作用，避免高温条件下孔结构发生塌陷，使孔隙率和比表面积得以有效保持；（2）本专利技术技术方案通过采用进一步高温处理，使孔隙结构中分散的羟基磷灰石发生烧结形成生物陶瓷，从而在多孔炭质结构内部孔隙中形成生物陶瓷支撑层，有效起到补强效果，而在纳米铁粉和氟化钠催化条件下，可使体系中二氧化硅和碳在高温条件下反应生成碳化硅，碳化硅的产生，有利于在多孔炭和生物陶瓷层之间形成碳-硅化学键，有效提高多孔炭和生物陶瓷层之间的界面相容性，另外，由于铁离子和氟化钠的存在，可实现对碳化硅的掺杂，而碳化硅的导电性随纯度的下降不降反升，在提高多孔炭和生物陶瓷之间的界面结合力的同时，有效避免了界面结合处导电性下降对产品电化学性能的干扰。具体实施方式按重量份数计，依次取20～30份五氧化二磷，60～80份无水乙醇，60～80份微晶纤维素，100～200份硫酸溶液，先将五氧化二磷、无水乙醇和微晶纤维素加入反应釜中，于温度为85～90℃，转速为300～500r/min条件下，边恒温搅拌边通过滴液漏斗以6～8mL/min速率将硫酸溶液滴加至反应釜中，待硫酸溶液滴加完毕后，继续恒温搅拌反应4～6h，待反应结束，将反应釜中物料转入旋转蒸发仪中，于温度为75～85℃，压力为400～500mmHg条件下，减压浓缩45～60min，得浓缩液，再将浓缩液于温度为85～90℃，搅拌转速为400～600r/min条件下，继续恒温搅拌反应2～3h后，于温度为100℃，真空度为0.093MPa条件下，真空干燥至恒重，得干燥料；按重量份数计，依次取60～80份干燥料，8～10份石灰乳，加入水热釜中，于温度为170～185℃，转速为400～600r/min条件下，水热反应4～6h后，过滤，得滤饼，并用质量分数为3～5%的醋酸洗涤4～8次，再将醋酸洗涤后的滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，再将水洗后的滤饼于温度为105～110℃条件下，干燥至恒重，得干燥酸洗滤饼；将所得干燥酸洗滤饼和质量分数为85%的浓磷酸按质量比为1：3～1：8倒入坩埚中，用玻璃棒搅拌混合10～15min后，将坩埚移入马弗炉中，以3～5℃/min速率程序升温至360～380℃，保温活化3～5h后，过滤，得滤渣，并用去离子水洗涤滤渣直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤渣转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得磷酸活化料；按重量份数计，依次取100～150份磷酸活化料，20～25份纳米二氧化硅，3～5份纳米铁粉，2～4份氟化钠，20～30份聚四氟乙烯，8～10份无水乙醇，用搅拌器以600～700r/min转速搅拌混合45～60min后，于压力为8～15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）按重量份数计，依次取20～30份五氧化二磷，60～80份无水乙醇，60～80份微晶纤维素，100～200份硫酸溶液，先将五氧化二磷、无水乙醇和微晶纤维素加入反应釜中，于恒温搅拌状态下，缓慢滴加硫酸溶液，待硫酸溶液滴加完毕后，继续恒温搅拌反应4～6h，再经减压浓缩，得浓缩液；（2）将浓缩液继续恒温搅拌反应2～3h后，真空干燥，得干燥料；（3）按重量份数计，依次取60～80份干燥料，8～10份石灰乳，水热反应4～6h后，过滤，酸洗，水洗，干燥，得干燥酸洗滤饼；（4）将干燥酸洗滤饼和浓磷酸按质量比为1：3～1：8搅拌混合后，升温活化，再经过滤，洗涤，干燥，得磷酸活化料；（5）按重量份数计，依次取100～150份磷酸活化料，20～25份纳米二氧化硅，3～5份纳米铁粉，2～4份氟化钠，20～30份聚四氟乙烯，8～10份无水乙醇，搅拌混合后，压制成型，得坯料，再将坯料于惰性气体保护状态下，升温至1400～1500℃，保温烧结3～5h后，冷却，碱洗，干燥，出料，即得生物陶瓷复合多孔电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种生物陶瓷复合多孔电极材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）按重量份数计，依次取20～30份五氧化二磷，60～80份无水乙醇，60～80份微晶纤维素，100～200份硫酸溶液，先将五氧化二磷、无水乙醇和微晶纤维素加入反应釜中，于恒温搅拌状态下，缓慢滴加硫酸溶液，待硫酸溶液滴加完毕后，继续恒温搅拌反应4～6h，再经减压浓缩，得浓缩液；（2）将浓缩液继续恒温搅拌反应2～3h后，真空干燥，得干燥料；（3）按重量份数计，依次取60～80份干燥料，8～10份石灰乳，水热反应4～6h后，过滤，酸洗，水洗，干燥，得干燥酸洗滤饼；（4）将干燥酸洗滤饼和浓磷酸按质量比为1：3～1：8搅拌混合后，升温活化，再经过滤，洗涤，干燥，得磷酸活化料；（5）按重量份数计，依次取100～150份磷酸活化料，20～25份纳米二氧化硅，3～5份纳米铁粉，2～4份氟化钠，20～30份聚四氟乙烯，8～10份无水乙醇，搅拌混合后，压制成型，得坯料，再将坯料于惰性气体保护状态下，升温至1400～1500℃，保温烧结3～5h后...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘菊花，马俊杰，宋宇星，
申请(专利权)人：佛山腾鲤新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44