一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，制备方法如下：首先以生物油为碳前驱体，四水合乙酸镁为模板剂，制成生物油与模板剂的混合物；然后在惰性气体气氛下对混合物进行高温炭化得到炭化产物MgO/C，并对其进行酸洗；最后，经抽滤、去离子水洗涤、干燥后便得到生物油基多孔炭。相较于活化法制备生物质基多孔炭，本发明专利技术更容易实现对多孔炭形貌、结构与孔径分布的精准调控，产物具有较高的比电容和优异的倍率性能。以6M KOH为电解液，在0.5A/g电流密度下，其比电容高达344F/g。在50A/g时，其比电容保持为182F/g。

A Method of Preparing Carbon Material for Supercapacitors Using Bio-oil

【技术实现步骤摘要】
一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法
本专利技术涉及电化学与新能源材料的制备方法，特别涉及一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法。
技术介绍
超级电容器，以其高功率密度、快速充放电、超长循环寿命、装置简单、稳定性好等特点被广泛应用于数码设备、电动汽车、可穿戴设备等领域，是一种环保的新型储能器件。多孔碳材料具有比表面积高、导电性好、化学稳定性高等特点，被广泛应用于超级电容器电极材料。多孔炭的制备原料丰富多样，近年来，以储量丰富、成本低廉、环保、可再生的生物质为原料制备多孔炭的研究引起了全世界学者的广泛关注。文献[J.Han，J.H.Leeetal.，J.Electrochem.Sci.Technol.2018，9，157-162]报道了以农业废弃物麦秆为原料通过化学活化法制备多孔炭的方法，所得多孔炭比表面积高达2327m2/g，比电容为127F/g。然而，通过活化法制备的生物质基多孔炭通常存在倍率性能差的问题，这是因为活化法制得的多孔炭通常存在孔径分布不均，介孔和大孔结构不发达等问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种采用生物油制备孔径分布均匀且具有优异电化学性能的生物油基多级孔炭的方法。技术方案：本专利技术提供一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，包括如下步骤：(1)生物油的制备：取干燥的生物质原料置于固定床中，在惰性气体气氛下进行热解，产生的气体经冷凝后得到生物油，备用；(2)生物油与模板剂混合物的制备：取步骤(1)的生物油溶于乙醇溶液中，得到生物油乙醇混合溶液，再向混合液中加入模板剂，整体放入油浴锅中磁力搅拌，搅拌完成后取出，冷却至室温，得到生物油与模板剂的混合物，备用；(3)生物油制备超级电容器炭材料的制备：取步骤(2)的混合物放入石英舟中，将石英舟置于管式炉内，通入惰性气体，升温后保持恒温，再自然冷却至室温，得到炭化产物；(4)将炭化产物取出，经研磨、酸洗、抽滤、去离子水洗涤至中性、干燥，即可。进一步地，所述步骤(2)中模板剂与生物油质量比为1∶1～3∶1。进一步地，所述步骤(2)的模板剂为四水合乙酸镁。进一步地，所述惰性气体为氮气。进一步地，所述步骤(1)热解的条件为：温度为450℃～650℃，升温速率为15℃/min～50℃/min，保温时间为1h～2h，惰性气体流速为100mL/min～600mL/min。所述步骤(1)冷凝方式为：采用0℃冰水冷凝。可使绝大部分热解可冷凝气冷凝为生物油，实现生物油的有效收集。不同的热解温度、升温速率、惰性气体流速和保温时间是影响生物油组分和产率的重要影响因素，本专利技术选取温度区间为450℃～650℃，升温速率区间为15℃/min～50℃/min，保温时间区间为1h～2h，可使生物油产率较高(约40％～60％)且具有较优的品质。进一步地，所述步骤(3)中通入惰性气体的流速为50mL/min～400mL/min。所述步骤(3)的升温速率为5℃/min～20℃/min，升温至800℃～1000℃。所述步骤(3)保持恒温2h～3h。不同的温度、升温速率、保温时间和惰性气体流速是影响生物油基多孔炭孔隙结构参数的重要影响因素，本专利技术选用上述参数范围，可使多孔炭具有优异的孔隙结构参数。进一步地，所述步骤(4)的酸洗使用HCl溶液酸洗。可保证充分去除MgO，从而形成丰富的孔隙结构。上述技术方案中，将生物油与模板剂结合制备炭材料，相较于活化法，本专利技术更容易实现对多级孔炭形貌、结构和孔径分布的精准调控。生物油，作为生物质热解的产物，含有大量的芳香族化合物和环状化合物，热处理时，这些成分极易发生聚合、脱氢脱氧等反应并生成碳，十分适合作为模板法的碳源。采用四水合乙酸镁为模板剂，在275℃时会热分解生成MgO、CO2和H2O，原位释放的CO2和H2O还可作为物理活化剂协同模板法发挥造孔作用。有益效果：本专利技术可以制备孔径分布均匀的多级孔炭，实现对多孔炭孔结构、孔径分布的精准调控，创新了生物油高值化利用方式，实现了生物质原料向高性能多级孔炭的高效转化；作为超级电容器电极材料，本专利技术生物油基多孔炭呈现出优异的电化学性能，以6MKOH为电解液，在0.5A/g电流密度下，生物油基多孔炭的比电容高达344F/g。在大电流密度50A/g条件下，其比电容依然高达182F/g，显示了优异的倍率性能。附图说明图1为本专利技术实施例1、2、3制备的生物油基多孔炭的N2吸脱附等温线图；图2为本专利技术实施例1、2、3制备的生物油基多孔炭的孔径分布图；图3为本专利技术实施例2制备的生物油基多孔炭BHPC2∶1的扫描电镜图。具体实施方式实施例1本实施例的生物油制备超级电容器炭材料BHPC1∶1的制备过程如下：(1)生物油的制备：称取300g干燥松木成型颗粒置于大型固定床中，在N2气氛下热解松木，产生的可冷凝气经0℃冷凝水冷凝后得到生物油，其质量产率约为41.67％。其中，热解条件如下：升温速率为16℃/min，热解温度为500℃，保温时间为1h，N2流速为400mL/min。(2)生物油与模板剂混合物的制备：称取10g步骤(1)所得生物油，溶于20g乙醇溶液中，并称取10g四水合乙酸镁模板剂与生物油乙醇溶液混合，整体105℃油浴锅中磁力搅拌6h后取出，冷却至室温，得到生物油与模板剂的混合物。(3)生物油制备超级电容器炭材料的制备：称取4g步骤(2)所得混合物放入石英舟中，并将石英舟置于管式炉内，通入200mL/min氮气，以10℃/min升温速率使管式炉升温至800℃，恒温2h后自然冷却至室温。取出炭化产物置于研钵中研磨至粉末状，与配置好的2MHCl溶液一起加入到样品瓶，并将样品瓶放入恒温振荡器中恒温振荡24h，取出混合溶液后，抽滤，并用去离子水洗涤碳材料至中性，最后，放入105℃鼓风干燥箱中干燥12h即可得到超级电容器用生物油基多孔炭，标记为BHPC1∶1。(4)生物油基多孔炭电化学性能测试：将多孔炭BHPC1∶1与聚四氟乙烯、超导炭黑按80∶10∶10质量比混合，辊压、切片、压片后获得超级电容器电极片。在6MKOH电解液中，以三电极体系测试BHPC1∶1电极材料的电化学性能。在0.5A/g电流密度下，其比电容为217F/g，在50A/g电流密度下，其比电容为158F/g。实施例2本实施例的生物油制备超级电容器炭材料BHPC2∶1的具体制备过程如下：(1)生物油的制备：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。(2)生物油与模板剂混合物的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。不同之处在于四水合乙酸镁模板剂用量为20g，所得生物油基多孔炭标记为BHPC2∶1。(3)生物油制备超级电容器炭材料的制备：按照与实施例1中的步骤(3)同样的方法实施。(4)生物油基多孔炭电化学性能测试：按照与实施例1中的步骤(4)同样的方法实施。所得BHPC2∶1电极材料在6MKOH电解液中，在0.5A/g电流密度下，其比电容为344F/g，在50A/g电流密度下，其比电容为168F/g。实施例3本实施例的生物油制备超级电容器炭材料BHPC3∶1的具体制备过程如下：(1)生物油的制备：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。(2)生物油与模板剂混合物的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)生物油的制备：取干燥的生物质原料置于固定床中，在惰性气体气氛下进行热解，产生的气体经冷凝后得到生物油，备用；(2)生物油与模板剂混合物的制备：取步骤(1)的生物油溶于乙醇溶液中，得到生物油乙醇混合溶液，再向混合液中加入模板剂，整体放入油浴锅中磁力搅拌，搅拌完成后取出，冷却至室温，得到生物油与模板剂的混合物，备用；(3)生物油制备超级电容器炭材料的制备：取步骤(2)的混合物放入石英舟中，将石英舟置于管式炉内，通入惰性气体，升温后保持恒温，再自然冷却至室温，得到炭化产物；(4)将炭化产物取出，经研磨、酸洗、抽滤、去离子水洗涤至中性、干燥，即可。

【技术特征摘要】
1.一种采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)生物油的制备：取干燥的生物质原料置于固定床中，在惰性气体气氛下进行热解，产生的气体经冷凝后得到生物油，备用；(2)生物油与模板剂混合物的制备：取步骤(1)的生物油溶于乙醇溶液中，得到生物油乙醇混合溶液，再向混合液中加入模板剂，整体放入油浴锅中磁力搅拌，搅拌完成后取出，冷却至室温，得到生物油与模板剂的混合物，备用；(3)生物油制备超级电容器炭材料的制备：取步骤(2)的混合物放入石英舟中，将石英舟置于管式炉内，通入惰性气体，升温后保持恒温，再自然冷却至室温，得到炭化产物；(4)将炭化产物取出，经研磨、酸洗、抽滤、去离子水洗涤至中性、干燥，即可。2.根据权利要求1所述的采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中模板剂与生物油质量比为1∶1～3∶1。3.根据权利要求1所述的采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)的模板剂为四水合乙酸镁。4.根据权利要求1所述的采用生物油制备超级电容器炭材料的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖睿，李江通，李明，张会岩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32