一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及碳电极制备和改性的电化学材料领域，具体涉及的是一种活性炭碳电极改性的改性方法。本发明专利技术在碳电极制作过程中添加了可生物降解的物质，在碳电极制作完毕后首先对碳电极进行生物降解，再喷淋酸性溶液、碱性溶液或金属卤化物溶液，然后进行微波处理改性后得到最后的产品。通过微生物作用，在降解完成后原有蛋白质等占据的空间变成空隙，增加了碳电极的比表面积和丰富了碳电极的孔道结构；而降解后的产物还含有丰富的磷、镁、钙、锰、铁等金属元素，因此可在碳电极内和表面产生大量功能基团，同时掺杂了大量的金属元素，可以产生游离和结合态，对于电荷的吸附以及赝电反应起到增益作用，从而起到对整个碳电极电容明显提升的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法
本专利技术涉及碳电极制备和改性的电化学材料领域，具体涉及的是一种活性炭碳电极改性的改性方法。技术背景活性炭碳电极是主要应用在超级电容器或者电池等电化学储能设备上，其比电容的大小、倍率性的高低是判断碳电极性能的主要指标。但是现有的技术方法基本上是先制备活性炭，对活性炭进行改性，再通过与粘结剂和导电剂以一定比例混合压片后制备成成型的碳电极，缺乏对成型的碳电极进一步改性以提高其电化学性能的技术方法。成型碳电极在制备过程中添加了粘结剂和导电剂，因而混合以及压制过程中会导致活性炭空间塌陷和部分孔道闭合，使得有效比表面积降低，因此比电容不高，电化学性能不够理想。目前仅发现专利号为ZL201710658575.6的中国专利技术专利，在碳电极成型后采用管式炉气氛高温处理，并迅速用液氮冷却的方法获得改性的碳电极，该方法需要品质较高的热源和冷源，并在处理过程中需要保护气氛，在实际操作过程中尽管改性效果良好，但成本较高。因此开发更简单易行的碳电极改性技术方法具有一定的实际意义。目前微生物处理技术主要用于废弃物降解以及制造发酵类产品。蛋白质、淀粉以及纤维素是自然界广泛存在且易于被降解的生物质，其降解的有效菌株和复合菌剂易于获得。蛋白质在微生物作用下，主要经历水解成氨基酸、氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸、脂肪酸再转化的过程。在此过程中长链蛋白消失，氨基酸的脱羧作用将释放氨气，并产生具有游离态铵盐、酰胺、含氮氧化物和含氧官能团，这些最终产物均会对材料的电容产生有益的影响；淀粉降解过程是历经水解产生糖类，再经过降解，在该过程中除会产生酒精和二氧化碳外，还会产生大量的磷酸胺类化合物，可以提供大量的多价磷元素，可以对电容产生影响；纤维素的分解会导致高分子长链断裂，形成糖类，糖类继续降解效果同上。本专利技术是在碳电极制备中创造性的加入可降解生物质，利用生物降解的方法改变成型碳电极的结构和碳电极吸附表面的基团结构，从而达到提高碳电极电容的目的。目前微波技术已经成为工业上广泛应用的技术，在很多新材料的制备过程中也得到应用。微波炉或者微波反应器的基本原理是通过电磁波使反应物分子振动并摩擦生热，因此微波技术在很多应用中被作为加热技术使用。微波技术具有起效速度快、效率高、没有热惯性的优点，在生产中可以迅速停止微波处理。本专利技术具体涉及的是采用对成型碳电极在微生物改性后进行改性夜喷涂或浸泡、再微波改性的技术方式，以达到灭菌稳定碳电极结构的目的，同时亦可获得改性碳电极的比电容有明显提高的碳电极。
技术实现思路
:本专利技术的目的在于提供一种简单、处理速度快的，结合了生物降解和微波技术处理的碳电极改性方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法，包括如下步骤：(1)将活性炭过300目筛，干燥备用；将已干燥的可降解生物质过300目筛备用；(2)按照重量分数取干燥后的活性炭80-85份、可降解生物质5-10份、导电剂5-10份、粘结剂5-10份混合，并用球磨机磨粉混合，同时称取1-10份无水乙醇备用；(3)在步骤(2)制得的混合物中加入适量N-甲基吡咯烷酮或无水乙醇作为溶剂，加热至40-60℃，持续搅拌直至溶剂大量挥发，得到粘稠的混合物A；(4)在所述混合物A上滴入称取好的少量无水乙醇，得到混合物B；(5)将所述混合物B用压片机在10-20MPa下压制成碳电极，并于25-40℃下真空干燥4-8小时，得到碳电极A备用；(6)配制一定浓度的复合菌剂溶液；(7)将所述碳电极A完全浸渍到步骤(6)所配置的复合菌剂溶液中，温度控制在25-35℃，浸渍时间2小时以上，得到碳电极B；(8)将浸渍后的所述碳电极B置于培养皿上，并放进生物培养箱内，同时将温度控制在70℃，维持pH值7-8，湿度大于50％，并适量供氧(如果采用的可降解生物质是淀粉，则不需要供氧，温度控制在40-50℃即可)，维持时间为12-36小时；(9)配制一定浓度的酸性溶液、碱性溶液或金属卤化物溶液备用；(10)将步骤(8)中经微生物处理过的碳电极B连同培养皿一起拿出，在所述的培养皿和碳电极B上充分喷淋步骤(9)中配制的溶液的任意一种或者纯水，然后将所述盛装有碳电极B的培养皿放入到微波反应器中；(11)启动微波反应器在一定功率下运转，微波改性一段时间后关闭微波反应器，得到碳电极C；(12)将所述碳电极C用大量的纯水冲洗干净后，充分干燥后得到碳电极D；(13)将所述碳电极D黏贴到涂有导电胶的平整集流板上，充分干燥后即得到成品改性的碳电极E。步骤(1)、(2)所述的可降解生物质为蛋白粉或者淀粉。步骤(2)所述的导电剂为乙炔黑、石墨粉、碳纳米管或石墨烯的任意一种，所述粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，并且需将粘结剂处理成为粒径100目的细粉。步骤(6)中所述的复合菌剂可选市售的适用于堆肥发酵和种殖业专用型复合菌剂，需要具有固氮菌、解磷菌、释钾菌等，可分解蛋白质和淀粉并具有一定的纤维素降解功能，并将商品菌剂用纯水进行稀释，配置成溶液。液体菌剂按照体积比稀释50-100倍，固体菌剂按照质量比稀释1000-3000倍。步骤(9)中所述的酸性溶液指硝酸、磷酸、硫酸、盐酸、双氧水溶液、醋酸、草酸等无机酸和有机酸溶液中的任意一种，质量浓度范围为5％-80％；所述的碱性溶液指NaOH、KOH、FeSO4、MnSO4、AgNO3、Co+等溶液中的任意一种，质量浓度为5-60％；所述的金属卤化物溶液指氯化锌、氯化镁、溴化锌等溶液中的任意一种，质量浓度为5％-60％。步骤(11)中所述微波反应器改性时间为0.5分钟到60分钟，使用的功率为100W-3000W。步骤(13)中所述的导电胶为炭系导电胶、银系导电胶、金系导电胶或者铜系导电胶的任意一种，所述的集流板为金属集流板或碳集流板。本专利技术在碳电极制作过程中添加了可生物降解的物质，如蛋白质、淀粉等，同时生物质在活性炭碳化过程中可能会未完全碳化而剩余一部分纤维素。在碳电极制作完毕后，首先对碳电极进行生物降解，在一定的时间内，碳电极的活性炭、炭黑以及粘结剂不会受到影响。选择复合菌剂包括可以降解蛋白质、淀粉以及纤维素的真菌和细菌(可选商业复合菌剂)，通过微生物作用，在降解完成后原有蛋白质等占据的空间变成空隙，增加了碳电极的比表面积和丰富了碳电极的孔道结构；而降解后的产物，例如大豆蛋白，其不仅具有蛋白质的基本结构，还含有丰富的磷、镁、钙、锰、铁、钼、锌、铜、钴、锶、镍等，因此可在碳电极内和表面产生大量的酰基化合物、含氮基团和含氧基团等，同时掺杂了大量的金属元素，可以产生游离和结合态，对于电荷的吸附以及赝电反应起到增益作用，从而起到对整个碳电极电容的明显提升的作用。本专利技术在碳电极使用微生物降解改性后，用磷酸等溶液可起到稳定碳电极基团和掺杂的金属元素等作用；采用微波使其内外均匀热运动，以达到调整和稳定碳电极结构和灭菌作用；最后用清水洗掉可溶性的残余降解产物，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将活性炭过300目筛，干燥备用；将已干燥的可降解生物质过300目筛备用；/n(2)按照重量分数称取干燥后的活性炭80-85份、可降解生物质5-10份、导电剂5-10份、粘结剂5-10份混合，并用球磨机磨粉混合；/n(3)在步骤(2)制得的混合物中加入适量N-甲基吡咯烷酮或无水乙醇，加热至40-60℃，搅拌直至溶剂大量挥发，得到粘稠混合物A；/n(4)在所述混合物A上滴入少量无水乙醇，得到混合物B；/n(5)将所述混合物B用压片机在15MPa下压制成碳电极,并于25-40℃下真空干燥4-8小时，得到碳电极A待用；/n(6)配制一定浓度的复合菌剂溶液；/n(7)将所述碳电极A完全浸渍到步骤(6)所配置的溶液中，温度控制在25-35℃下，浸渍时间2小时以上，得到碳电极B；/n(8)将所述碳电极B置于培养皿上，放进生物培养箱内，同时控制培养箱内的温度、湿度、pH值在合适范围内，并维持12-36小时；/n(9)配制一定浓度的酸性溶液、碱性溶液或金属卤化物溶液备用；/n(10)将步骤(8)中经微生物处理过后的碳电极B喷淋上步骤(9)中所配制的溶液的任意一种或者纯水，然后将所述碳电极B盛装到培养皿上，放入到微波反应器中；/n(11)启动微波反应器在一定功率下运转，微波改性一段时间后，关闭微波反应器，得到碳电极C；/n(12)将所述碳电极C用大量的纯水冲洗干净后，充分干燥后得到碳电极D；/n(13)将所述碳电极D黏贴到涂有导电胶的平整集流板上，充分干燥后即得到成品改性的碳电极E。/n...

【技术特征摘要】
1.一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将活性炭过300目筛，干燥备用；将已干燥的可降解生物质过300目筛备用；
(2)按照重量分数称取干燥后的活性炭80-85份、可降解生物质5-10份、导电剂5-10份、粘结剂5-10份混合，并用球磨机磨粉混合；
(3)在步骤(2)制得的混合物中加入适量N-甲基吡咯烷酮或无水乙醇，加热至40-60℃，搅拌直至溶剂大量挥发，得到粘稠混合物A；
(4)在所述混合物A上滴入少量无水乙醇，得到混合物B；
(5)将所述混合物B用压片机在15MPa下压制成碳电极,并于25-40℃下真空干燥4-8小时，得到碳电极A待用；
(6)配制一定浓度的复合菌剂溶液；
(7)将所述碳电极A完全浸渍到步骤(6)所配置的溶液中，温度控制在25-35℃下，浸渍时间2小时以上，得到碳电极B；
(8)将所述碳电极B置于培养皿上，放进生物培养箱内，同时控制培养箱内的温度、湿度、pH值在合适范围内，并维持12-36小时；
(9)配制一定浓度的酸性溶液、碱性溶液或金属卤化物溶液备用；
(10)将步骤(8)中经微生物处理过后的碳电极B喷淋上步骤(9)中所配制的溶液的任意一种或者纯水，然后将所述碳电极B盛装到培养皿上，放入到微波反应器中；
(11)启动微波反应器在一定功率下运转，微波改性一段时间后，关闭微波反应器，得到碳电极C；
(12)将所述碳电极C用大量的纯水冲洗干净后，充分干燥后得到碳电极D；
(13)将所述碳电极D黏贴到涂有导电胶的平整集流板上，充分干燥后即得到成品改性的碳电极E。


2.如权利要求1所述的一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)、(2)中所述的可降解生物质为蛋白粉或者淀粉。


3.如权利要求1所述的一种生物降解及微波处理结合改性碳电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的导电剂为乙炔黑、石墨粉、碳纳米管或石墨烯的任意一种，所述的粘结剂为聚四氟乙烯或者聚偏氟乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇刚，司洪宇，王兵，梁晓辉，董统喜，杨黎军，崔连胜，凌绍明，隆金桥，黄科瑞，覃登攀，赵金和，
申请(专利权)人：百色学院，
类型：发明
国别省市：广西;45