一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法，是将秸秆与锰矿混合后，进行高温碳化和活化，所得活化产物再经酸浸泡、水洗、烘干，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭。本发明专利技术利用廉价易得的锰矿和秸秆混合煅烧来优化秸秆基电容器的电化学性能，不仅工艺条件简单而且大大提高了秸秆基活性炭的电化学性能；本发明专利技术所得活性炭结构稳定、孔隙发达，具有较高的比电容和循环稳定性，是一种相对理想的超级电容器电极材料。

A preparation method of straw-based activated carbon supercapacitor electrode material for enhancing energy storage efficiency by manganese ore

【技术实现步骤摘要】
一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法
本专利技术涉及电化学领域，具体涉及一种秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法。
技术介绍
由于生态平衡遭到破坏，能源危机和环境污染问题已经成为影响当今世界可持续发展的重大瓶颈性难题。目前世界上可利用能源除了煤、石油和天然气外，还有水力、风力和农业废弃物等。其中，小麦秸秆是世界上广泛分布的一种可再生农业废弃物，对其进行综合处理以实现农业废弃物在各领域的工业化应用，可以缓解能源危机、环境污染，同时提高农业综合效益，是目前各国科研人员研究的热点问题。开发新型高效电能的储存和利用方法成为能源发展和利用的重要工作。超级电容器是一种能够快速充放电的新型功率型能源储存电子元器件，它具有高功率和长寿命的特点，填补了普通电容器与电池之间的比能量与比功率空白。它还具有安全度高、使用范围宽的优点，能够应用到多个领域，目前已受到广泛关注。因此，对超级电容器的研究具有重要的现实意义。众所周知，电极材料是影响超级电容器性能的关键因素，所以寻找一种优异的电极材料是当前研究的重要方向。活性炭由于具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积及稳定的化学性质成为应用最多的电极材料。而秸秆中含有大量的木质素和纤维素，木质素和纤维素可以作为制备微孔生物质碳材料很好的原材料，因此把秸秆作为超级电容器电极制备的原材料不仅可以有效减少秸秆的不合理利用对环境的污染，还能变废为宝创造经济效益。近年来，国内外许多学者对用玉米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆等制备活性炭进行了大量研究，但对秸秆基活性炭的性能优化效果却不甚理想。因此，如何有效优化秸秆基活性炭的电化学性能成为目前关注的重点问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法，旨在可以有效制备出一种结构稳定、导电性高、孔隙发达的高性能电极材料。为解决技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法，其特点在于：是将秸秆与锰矿混合后，进行高温碳化和活化，所得活化产物再经酸浸泡、水洗、烘干，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭。具体是按如下步骤进行：(1)将秸秆在80-100℃烘干4-5h，粉碎过40-100目筛，获得秸秆颗粒备用；(2)将所述秸秆颗粒与锰矿粉末按质量比1:0.2-0.5混合，获得混合物料；(3)将所述混合物料置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以2-15℃/min的升温速率升温至350-600℃，恒温碳化0.5-2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，取出并研磨成粉状，获得碳化料粉末；(4)将所述碳化料粉末与活化剂按质量比1:1-4混合，然后加入与碳化料粉末质量体积比为1g:30～150mL的去离子水，超声分散均匀，再在80℃下水浴加热10-12h；所得产物放入干燥箱中80-100℃下干燥2-3h，再置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以2-15℃/min的升温速率升至650-900℃，恒温活化0.5-2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，获得活化产物；(5)将所述活化产物置于浓酸中，超声浸泡10-30min，然后用80℃去离子水洗涤至中性，再将产物置于烘箱中80-100℃下干燥10-12h，最后过200-400目筛，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭。进一步地：将所述活性炭与导电剂、粘结剂按质量比7-9:1-2:1-2混合，滴加适量有机溶剂并搅拌均匀，获得涂覆液；用丝网印刷板将所得涂覆液均匀涂于集流体上，90-100℃下真空干燥12-14h，最后通过压片机在10-15MPa下压片10-30s，即制得超级电容器电极片。更进一步地：所述导电剂为乙炔黑、炭黑或石墨，优选为乙炔黑；所述粘结剂为PTFE或PVDF，优选为PTFE；所述有机溶剂为无水乙醇或N-甲基吡咯烷酮，优选为N-甲基毗咯烷酮；所述集流体为铜箔、铝箔、泡沫镍或碳纸，优选为泡沫镍。进一步地，所述秸秆可以为水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆或者玉米秸秆。进一步地，所述锰矿为二氧化锰矿、天然水锰矿、褐锰矿、软锰矿、硬锰矿和黑锰矿中的至少一种。进一步地，步骤(3)和步骤(4)所述惰性气体为高纯氮气、高纯氩气或二氧化碳，优选为高纯氮气。进一步地，步骤(4)所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸或者氯化锌中的至少一种的固体粉末，优选为分析纯氢氧化钾固体粉末。进一步地，步骤(5)中所述浓酸为浓硝酸或浓盐酸，优选为浓盐酸；所述浓酸的质量浓度为20-37.5％。本专利技术通过在秸秆中加入锰矿，高温煅烧条件下MnO2与秸秆中的碳发生反应，生成Mn2O3和CO，实现氧原子的掺杂，进而促使氧化还原反应的发生，产生赝电容，从而提高超级电容器的电化学性能。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、空白秸秆制备超级电容器的比电容为168.0Fg-1，而本专利技术利用锰矿与秸秆混合制备的超级电容器比电容最高达到了224.5Fg-1，相比空白秸秆比电容提高了33.6％。2、通过本专利技术的方法所得活性炭结构稳定、孔隙发达(具有微中孔相结合的孔隙结构、较高的比表面积)，具有较高的比电容和循环稳定性，是一种相对理想的超级电容器电极材料。3、本专利技术添加的锰矿廉价易得，大大节约了成本，且无需预处理，操作方法简单可行，节能环保，后处理工艺简单，重复性高。附图说明图1为本专利技术实施例1所得活性炭样品AC-400-Mn的FESEM图像，其中a、b对应不同放大倍数；图2为本专利技术实施例1所得活性炭样品AC-400-Mn和AC-400-0的低温N2吸附脱附等温线(a)和孔体积分布(b)。具体实施方式下面通过具体实施方式对本专利技术的方法进行说明，此部分的描述仅为解释性和示范性，所描述的实例仅仅是本专利技术的一部分实例，而不是全部的实例，而且本专利技术并不局限于此。实施例1本实施例按如下步骤制备活性炭：(1)将收集到的秸秆在80℃烘干5h，粉碎过40目筛，获得秸秆颗粒备用；(2)将5g秸秆颗粒与1.5g二氧化锰矿粉末混合均匀，获得混合物料；(3)将混合物料置于高温管式炉中，在惰性气体氮气保护下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，恒温碳化1h，然后停止加热，继续在氮气保护下冷却至室温，取出并研磨成粉状，获得碳化料粉末；(4)将2g碳化料粉末与6g固体粉末KOH混合，然后加入200mL的去离子水，超声分散均匀，再在80℃下水浴加热10h；所得产物放入干燥箱中90℃下干燥3h，再置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以5℃/min的升温速率升至750℃，恒温活化2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，获得活化产物；(5)将活化产物置于36.5g/L的浓盐酸中，用额定功率为100W的超声机超声浸泡15min，然后用80℃去离子水洗涤至中性，再将产物置于烘箱中100℃下干燥10h，最后过200目筛，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭，记为AC-400-Mn。为进行对比，制备不加锰矿的空白对照样品，标记为AC-400-0，制备方法与AC-400-Mn相同，区别仅在于步骤(2)中不加二氧化锰矿粉末。图1为样品AC-400-Mn在不同放大倍数下的FESEM图像，从图中可清晰得看出材料表面有大量的通道，显示出活性炭有序的孔结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：是将秸秆与锰矿混合后，进行高温碳化和活化，所得活化产物再经酸浸泡、水洗、烘干，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种通过锰矿强化储能效率的秸秆基活性炭超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：是将秸秆与锰矿混合后，进行高温碳化和活化，所得活化产物再经酸浸泡、水洗、烘干，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，是按如下步骤进行：(1)将秸秆在80-100℃烘干4-5h，粉碎过40-100目筛，获得秸秆颗粒备用；(2)将所述秸秆颗粒与锰矿粉末按质量比1:0.2-0.5混合，获得混合物料；(3)将所述混合物料置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以2-15℃/min的升温速率升温至350-600℃，恒温碳化0.5-2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，取出并研磨成粉状，获得碳化料粉末；(4)将所述碳化料粉末与活化剂按质量比1:1-4混合，然后加入与碳化料粉末质量体积比为1g:30～150mL的去离子水，超声分散均匀，再在80℃下水浴加热10-12h；所得产物放入干燥箱中80-100℃下干燥2-3h，再置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以2-15℃/min的升温速率升至650-900℃，恒温活化0.5-2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，获得活化产物；(5)将所述活化产物置于浓酸中，超声浸泡10-30min，然后用80℃去离子水洗涤至中性，再将产物置于烘箱中80-100℃下干燥1...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋少敏，吴文涛，张乐乐，岳正波，王进，
申请(专利权)人：安徽华威新能源有限公司，合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34