一种电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供本发明专利技术提供的一种电极及其制备方法和应用，该电极的原料包括活性物质、导电剂和集流体，所述活性物质和导电剂负载于所述集流体表面，所述活性物质由如下方法制备得到：(1)将胡敏素与季铵碱混合后进行水热反应，反应结束后收集、干燥固体产物；(2)将步骤(1)的固体产物与活化剂混合，干燥后在保护气氛下进行碳化；(3)将碳化后的产物清洗至中性。本发明专利技术的电极应用于制作电容器时表现出良好的电化学性能，具有良好的循环稳定性和较高的比电容量，比电容量可达150F/g～300F/g。

【技术实现步骤摘要】
一种电极及其制备方法和应用
本专利技术属于电容器材料
，尤其涉及一种电极及其制备方法和应用。
技术介绍
木质纤维素含有大量的纤维素及半纤维素及其他碳水化合物，此类碳水化合物经过生物炼制后将被转化为碳五糖或碳六糖。碳五糖或碳六糖通过酸催化水解生成5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸等高值化合物，同时生成胡敏素。胡敏素不溶于常规溶剂中，而5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸具有较好的溶解性，因此在水解后容易将胡敏素与5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸进行分离。不过也正由于胡敏素存在溶解性差的问题，使其难以进行再利用，由于胡敏素在糖水解过程中产量较大，直接丢弃或进行燃烧处理将导致较大的资源浪费。为实现胡敏素高价值应用，现有技术直接将胡敏素与氢氧化钾等活化剂混合碳化后制得微孔碳，该方法制备得到的多孔碳材料多孔碳收率较低，在用作电容器电极材料时比容量低、循环稳定性不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电极及其制备方法和应用，该电极具有良好的循环稳定性和较高的比电容量。本专利技术提供的一种电极，其原料包括活性物质、导电剂和集流体，所述活性物质和导电剂负载于所述集流体表面；所述活性物质由如下方法制备得到：(1)使用季铵碱将胡敏素溶解后进行水热反应，反应结束后收集、干燥固体产物；(2)将步骤(1)的固体产物与活化剂混合、干燥后在保护气氛下进行碳化；(3)将碳化后的产物清洗至中性。进一步，步骤(1)中，所述水热反应温度为120～200℃，所述水热反应时间为6～12h。进一步，所述季铵碱选自四丁基氢氧化铵和/或四丙基氢氧化铵。进一步，所述胡敏素与季铵碱的用量比为1g：(1～5)ml。进一步，步骤(2)中，所述活化剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、磷酸钾和氯化锌中的至少一种。进一步，步骤(2)中，所述活化剂与步骤(1)的固体产物质量比为(0.5～2)：1。进一步，步骤(2)中，所述干燥温度为100～120℃。进一步，步骤(2)中，所述碳化温度为600～800℃，所述碳化时间为1～2h。进一步，所述保护气氛选自氮气气氛或氩气气氛。进一步，步骤(3)中，所述干燥温度为100～120℃。进一步，所述导电剂选自导电炭黑。进一步，所述集流体选自泡沫镍、泡沫铜和石墨碳纸中的至少一种。进一步，所述电极的原料还包括粘结剂。在一些实施例中，所述粘结剂选自聚四氟乙烯。进一步，所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为(60～100)：(10～20)：(2～7)；在一些实施例中，所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为80：15：5。本专利技术提供的一种电极的制备方法包括如下步骤：一、制备活性物质(1)使用季铵碱将胡敏素溶解后进行水热反应，反应结束后收集、干燥固体产物；(2)将步骤(1)的固体产物与活化剂混合、干燥后在保护气氛下进行碳化；(3)将碳化后的产物清洗至中性，干燥、研磨，得到活性物质；二、制备电极按照(60～100)：(10～20)：(2～7)的质量比将活性物质、导电剂和粘结剂混合，加入溶剂混合均匀得到浆料，将浆料涂于集流体上，干燥，得到电极。进一步，步骤二中，所述干燥温度为60～100℃，干燥时间为20～26h。在一些实施例中，步骤二中，所述干燥温度为80℃，干燥时间为24h。进一步，所述溶剂选自乙醇或N-甲基吡咯烷酮。本专利技术还提供上述电极在制作电容器中的应用。相对于现有技术，本专利技术将胡敏素与季铵碱混合进行水热反应，季铵碱能够将胡敏素溶解并与之发生反应，形成富氮聚合物，再在活化剂的作用下进行高温碳化得到具有丰富的孔隙结构且掺杂有氮原子的电极活性物质。利用该活性物质与导电剂按照一定的比例制成浆料，涂覆在金属表面制成电极，应用于制作电容器时表现出良好的电化学性能，具有良好的循环稳定性和较高的比电容量，比电容量可达150F/g～300F/g。附图说明图1是实施例1胡敏素(a)、胡敏素基聚合物(b)和活性物质(c)的扫描电镜图；图2是实施例1胡敏素(a)、胡敏素基聚合物(b)和活性物质(c)的XPS全谱图；图3是实施例1活性物质的C1s(a)、O1s(b)及N1s(c)能谱图；图4是实施例1～3的BET(a)及孔径分布(b)图；图5是实施例1～3的电极在不同电流密度下的充放电曲线图；图6是实施例1～3的电极在不同扫描速度下的循环伏安图；图7是实施例1～3的电极的电化学阻抗图；图8是实施例1～3的电极在10A/g电流密度下的长循环测试图。具体实施方式本专利技术以胡敏素为碳源，利用季铵碱将其溶解并发生反应形成富氮聚合物，从而掺入氮元素，经过碳化后形成氮掺杂多孔碳材料，表现出良好的电学性能。以下结合实施例进一步说明本专利技术的技术方案。以下各实施例中的胡敏素可采用以葡萄糖为原料制备乙酰丙酸过程中所产生的固体副产物。其收集方法为：将糖与稀酸混合，在150～200℃下反应5～8h；反应结束后将固体与液体分离，固体即胡敏素，液体经有机溶剂萃取、减压蒸馏得到乙酰丙酸。例如，将葡萄糖与稀盐酸溶液混合配制，将混合溶液定溶于1L容量瓶中，所述稀盐酸溶液浓度为0.1mol/L，葡萄糖物质的量为1mol/L，将定容的混合溶液加入反应罐中，在180℃下恒温反应6h，冷却至室温，抽滤分离得到固体副产物胡敏素，滤液过有机溶剂萃取、减压蒸馏得到乙酰丙酸。将抽滤分离得到的固体副产物胡敏素进行水洗并在120℃下烘干至恒重即可。需要说明的是，除了上述方法产生的胡敏素外，还可以采用其他途径获得的胡敏素。实施例1本实施例提供一种电极，其制备方法包括如下步骤：一、制备活性物质(1)使用季铵碱将胡敏素溶解后在120～200℃下进行水热反应，反应结束后收集、干燥固体产物。具体地，取3g胡敏素和30ml去离子水加入50ml的反应罐中，再加入10ml质量浓度为25％的四丙基氢氧化铵溶液，密闭反应罐，程序升温至180℃，恒温保持12h。反应完后自然冷却至室温后分离得到深褐色聚合物(胡敏素基聚合物)，100℃下干燥后研磨得到深褐色粉末备用。(2)将步骤(1)的固体产物与活化剂混合，干燥后在保护气氛、600～800℃下进行碳化。具体地，取步骤(1)中得到的深褐色粉末3g于烧杯中并加入3g氢氧化钾和30ml去离子水，充分搅拌上述溶液0.5h并转移至烘箱100℃下干燥蒸发掉多余水分得到棕色蓬松固体，充分研磨得到棕色粉末。将上述棕色粉末转移至带盖瓷舟，放入高温反应炉，通入100ml/min的氩气作为保护气氛，升温速率为3℃/min，在700℃下煅烧2h进行碳化。碳化结束后冷却至室温。(3)碳化结束后，使用酸和水将碳化后的产物清洗至中性，干燥、研磨，得到活性物质。将步骤(2)碳化后的产物放入1M盐酸溶液中浸泡24h后，用大量去离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极，其特征在于：其原料包括活性物质、导电剂和集流体，所述活性物质和导电剂负载于所述集流体表面；/n所述活性物质由如下方法制备得到：/n(1)使用季铵碱将胡敏素溶解后进行水热反应，反应结束后收集、干燥固体产物；/n(2)将步骤(1)的固体产物与活化剂混合、干燥后在保护气氛下进行碳化；/n(3)将碳化后的产物清洗至中性。/n

【技术特征摘要】
1.一种电极，其特征在于：其原料包括活性物质、导电剂和集流体，所述活性物质和导电剂负载于所述集流体表面；
所述活性物质由如下方法制备得到：
(1)使用季铵碱将胡敏素溶解后进行水热反应，反应结束后收集、干燥固体产物；
(2)将步骤(1)的固体产物与活化剂混合、干燥后在保护气氛下进行碳化；
(3)将碳化后的产物清洗至中性。


2.根据权利要求1所述电极，其特征在于：步骤(1)中，所述水热反应温度为120～200℃。


3.根据权利要求1所述电极，其特征在于：所述季铵碱选自四丁基氢氧化铵和/或四丙基氢氧化铵。


4.根据权利要求3所述电极，其特征在于：所述胡敏素与季铵碱的用量比为1g：(1～5)ml。


5.根据权利要求1所述电极，其特征在于：步骤(2)中，所述活化剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、磷酸钾和氯化锌中的至少一种。


6.根据权利要求1所述电极，其特征在于：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇军，蔡卓弟，张智斌，刘丹，谭世芝，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44