核桃壳基活性炭、制备方法及其应用技术

一种核桃壳基活性炭、制备方法及其应用，核桃壳基活性炭的制备方法包括如下步骤：步骤1：将核桃壳进行梯度升温碳化处理，得到碳化的核桃壳碳；步骤2：依次用第一清洗液和水对核桃壳碳清洗，干燥后获得预碳化物；步骤3：将预碳化物与活化剂干混搅拌均匀，得到混合物，将混合物进行梯度升温活化处理，得到活化产物；步骤4：依次用第二清洗液和水对活化产物清洗，得到中性活化产物；干燥中性活化产物获得核桃壳基活性炭。通过采用本发明专利技术的制备方法，可精确控制所制备的核桃壳基活性炭的孔结构分布，分别获得微孔为主的超高比表面积吸附剂材料与具微孔‑中孔占比平衡的分级孔超级电容器电极材料，提升核桃壳的附加价值、实现资源高效利用。

Walnut shell based activated carbon, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
核桃壳基活性炭、制备方法及其应用
本专利技术涉及生物质能源材料
，尤其涉及一种核桃壳基活性炭、制备方法及其应用。
技术介绍
多孔碳材料具有较高的比表面积、优异的导电性以及高的化学稳定性等优点，广泛用作储能材料、吸附剂、催化剂载体、传感器材料等。然而，碳纳米管、有序介孔碳、石墨烯基多孔碳等优异的碳材料受制于复杂的制备工艺以及昂贵的成本，很难实现储能、吸附等领域的工业化应用，因此除了开发新型高效储能材料，进一步发展原料丰富、成本廉价、易规模化生产的多孔碳材料，不断优化改良其制备工艺同样是目前推动超级电容器等新型储能器件实用化进程的必经之路。生物质能源不但可以直接作为可再生能源材料，经过一系列简单的处理技术即可获得具有独特性质的多孔生物质炭。生物质作为碳材料的前驱体能充分利用自身的天然形貌，发挥生物模板作用制备具有特殊结构的炭材料。目前有报道采用例如茄子、黑木耳、鸡蛋蛋白、羊毛、蚕茧等生物质材料来制备生物质炭材料，然而这些生物质材料具有很高的营养价值或实用价值，用作生物质炭前驱体造成资源浪费。果壳、椰壳、核桃壳等富含碳的生物质废弃物产量巨大，处理不慎还会对生态环境不利，基于它们进行一定的结构设计与工艺处理获得具有高附加值活性炭材料，不仅节约了资源还实现了资源的高值化利用，完全符合我国当前贯彻节约资源和保护环境的基本国策。因此，发展简便、易推广的传统碳材料的结构设计和制备方法，构建高效多孔碳材料意义重大。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种核桃壳基活性炭、制备方法及其应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为达到上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供一种核桃壳基活性炭的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将核桃壳进行梯度升温碳化处理，得到碳化的核桃壳碳；步骤2：依次用第一清洗液和水对核桃壳碳清洗，干燥后获得预碳化物；步骤3：将预碳化物与活化剂干混搅拌均匀，得到混合物，将混合物进行梯度升温活化处理，得到活化产物；步骤4：依次用第二清洗液和水对活化产物清洗，得到中性活化产物；干燥中性活化产物获得核桃壳基活性炭。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种采用上述核桃壳基活性炭的制备方法得到的核桃壳基活性炭，核桃壳基活性炭呈片状多孔结构，其比表面积为2000-3700m2g-1、总孔容为1.5-3.0cm3g-1。作为本专利技术的再一个方面，还提供了一种上述核桃壳基活性炭在重金属离子液相吸附及甲醛、挥发性有机化合物(VOCs)气体吸附中的应用。作为本专利技术的又一个方面，还提供了一种上述核桃壳基活性炭在超级电容器中的应用，所述核桃壳基活性炭用作超级电容器的电极材料。作为本专利技术的再一个方面，还提供了一种超级电容器电极的制备方法，包括以下步骤：将上述核桃壳基活性炭、导电炭黑与含有5wt.％粘结剂的水溶液混合，经干燥、辊压、铳片后压于集流体上，干燥得到片状成型的超级电容器电极。作为本专利技术的再一个方面，还提供了一种采用上述超级电容器电极的制备方法制得的超级电容器电极。基于上述技术方案，本专利技术的核桃壳基活性炭、制备方法及其应用具有以下积极效果：1、本专利技术采用活化剂与预碳化物直接混合的方法，实现活化剂与碳基前驱体不完全接触，减缓活化速率，保护前驱体孔隙结构，同时经长时间保温过程持续造孔，确保形成数量更多的孔；通过活化剂用量的调节，可精准控制所得活性炭的孔结构分布，分别获得微孔为主的超高比表面积吸附剂材料、微孔-中孔占比平衡的分级孔电极材料；2、采用本专利技术的制备方法得到的核桃壳基活性炭孔壁薄(由1～3层的石墨微晶构成)，呈片状多孔结构，具有丰富的微孔和中孔，并且具有超高的比表面积，其总孔容高达2.19cm3g-1(P/P0＝0.995)，比表面高达3577m2g-1，该具有高比表面积的片状多孔碳不仅有利于降低材料内部的传质阻力，还提高了材料自身电导率；3、将本专利技术的核桃壳基活性炭应用于重金属离子吸附领域，核桃壳基活性炭作为吸附剂，其吸附容量高，对Cu2+吸附容量可达221mg/g；应用于污染气体吸附领域，核桃壳基活性炭作为吸附剂，其吸附率高，对甲醛、VOCs的吸附率分别达85.2％、91.6％；4、将本专利技术的核桃壳基活性炭应用于储能领域，基于核桃壳基活性炭的超级电容器，其中核桃壳基活性炭作为电极材料，其比容量高、倍率性能优异，且兼具高的能量密度和功率密度。在水系电解液中比容量高达330Fg-1(电流密度为0.1Ag-1)，当电流密度从0.5Ag-1增大到100Ag-1时，容量保持率高达82％，即使在离子液体电解液中，该电流密度范围内容量保持率尚可达到40％，此时能量密度、功率密度可同时达到双50(76Whkg-1，50kWkg-1)，能量密度最高达120Whkg-1，功率密度最高可达100kWkg-1。附图说明图1为本专利技术实施例1的核桃壳基活性炭的氮气吸脱附等温与孔径分布曲线图；图2为本专利技术实施例11和对比例6的超级电容器电极在6MKOH电解液中的充放电曲线对比图；图3为本专利技术实施例11和对比例6的超级电容器电极分别在6MKOH电解液中的倍率性能对比图；图4为基于本专利技术实施例11的超级电容器电极的超级电容器分别在6MKOH和离子液体电解液中的Ragone图；图5为本专利技术实施例1的核桃壳基活性炭的扫描电镜图；图6为本专利技术实施例1的核桃壳基活性炭的透射电镜图；图7为本专利技术对比例6的商用YP-80F活性炭的扫描电镜图；图8为本专利技术对比例6的商用YP-80F活性炭的透射电镜图。具体实施方式核桃壳是一种产量巨大的生活垃圾，其质地坚硬，通过碳化、活化可构建具有丰富孔隙结构的炭材料，以此为原料设计性能优异的多孔碳是提升其附加价值、实现资源高效利用的行之有效的途径。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提供一种核桃壳基活性炭的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将核桃壳进行梯度升温碳化处理，得到碳化的核桃壳碳；步骤2：依次用第一清洗液和水对核桃壳碳清洗，干燥后获得预碳化物；步骤3：将预碳化物与活化剂干混搅拌均匀，得到混合物，将混合物进行梯度升温活化处理，得到活化产物；步骤4：依次用第二清洗液和水对活化产物清洗，得到中性活化产物；干燥中性活化产物获得核桃壳基活性炭。本专利技术通过活化剂与预碳化物直接干混的设计，实现活化剂与碳基前驱体不完全接触，减缓活化速率，保护前驱体孔隙结构；本专利技术采用梯度升温活化处理，一方面保证较高的活性炭产率，另一方面通过长时间保温过程能够持续造孔，确保形成数量更多的孔；本专利技术通过对活化剂用量的调节，可精确控制所制备的核桃壳基活性炭的孔结构分布，以应用于不同的
，适用范围广。具体地，步骤1中，其梯度升温碳化处理的具体操作为，在氩气气氛下，以2-8℃/min的升温速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核桃壳基活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：将核桃壳进行梯度升温碳化处理，得到碳化的核桃壳碳；/n步骤2：依次用第一清洗液和水对核桃壳碳清洗，干燥后获得预碳化物；/n步骤3：将预碳化物与活化剂干混搅拌均匀，得到混合物，将混合物进行梯度升温活化处理，得到活化产物；/n步骤4：依次用第二清洗液和水对活化产物清洗，得到中性活化产物；干燥中性活化产物获得核桃壳基活性炭。/n

【技术特征摘要】
1.一种核桃壳基活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将核桃壳进行梯度升温碳化处理，得到碳化的核桃壳碳；
步骤2：依次用第一清洗液和水对核桃壳碳清洗，干燥后获得预碳化物；
步骤3：将预碳化物与活化剂干混搅拌均匀，得到混合物，将混合物进行梯度升温活化处理，得到活化产物；
步骤4：依次用第二清洗液和水对活化产物清洗，得到中性活化产物；干燥中性活化产物获得核桃壳基活性炭。


2.根据权利要求1所述的核桃壳基活性炭的制备方法，其特征在于：步骤1中，其梯度升温碳化处理的具体操作为，在氩气气氛下，以2-8℃/min的升温速率，升温到400-600℃，保温1-5h。


3.根据权利要求1所述的核桃壳基活性炭的制备方法，其特征在于：步骤3中，其梯度升温活化处理的具体操作为，在氩气气氛下，以2-8℃/min的升温速率，升温到750-850℃，保温1-5h。


4.根据权利要求1所述的核桃壳基活性炭的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述活化剂为KOH，KOH与预碳化物的添加质量比例为3-8∶1。


5.根据权利要求1所述的核桃壳基活性炭的制备方法，其特征在于：步骤2中的第一清洗液...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨全红，尚童鑫，陶莹，吴志坦，李培，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12