一种高比表活性炭、超级电容电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高比表活性炭及其制备方法和用途，以及提供了一种超级电容电极及其制备方法，高比表活性炭，以烟叶为碳源，利用K2CO3一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m2/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm3·

【技术实现步骤摘要】
一种高比表活性炭、超级电容电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料领域，涉及一种活性炭和该活性炭的制备方法及用途，本专利技术还涉及一种超级电容电极，该电极材料包括所述活性炭。

技术介绍

[0002]近年来，伴随着全球经济的快速发展、全球人口的增长，煤炭、石油等不可再生化石燃料资源日益短缺，这给现代社会的可持续发展带来了严重的危机。因此，开发和高效利用清洁和可持续能源：例如太阳能、风能等，是解决上述挑战的最有希望的解决办法。但这些能源的高效利用往往都需要先进的储能系统。
[0003]超级电容器作为一种新型储能器件，因其循环寿命长(>10万次)、充放电效率高、功率密度高及其良好的低温特性受到科学家和工程师的极大关注。
[0004]根据其储能机制不同，超级电容器可以分为两类：双电层超级电容器(EDLCs)和赝电容超级电容器(Pseudocapacitors)。对于前者，电荷是通过离子在活性材料近表面的静电相互作用吸附而储存的；而赝电容的能量储存/释放机制是通过还原反应、离子插入/挤压和潜在沉积来实现的。与赝电容超级电容器相比，虽然EDLCs能量密度偏低，但其稳定性好，循环效率和充放电倍率更高。在组成超级电容的部件中，电极材料决定着电容器的主要性能参数，占超级电容总成本的30％以上。
[0005]根据EDLCs的储电原理，高比表面积和优异的导电性会显著提高电容器的电容量。
[0006]碳基材料因为其成本低，来源广泛，具有高比表面积、低电阻、良好的极性和可控孔径大小等优点，具有更可持续的未来。
[0007]生物质材料可再生、来源广泛且价格低廉，是制备多孔碳材料的首选碳源。截至目前，大量的由动植物衍生而来的生物质材料被研究用作制备活性炭的碳源，例如稻壳，椰壳，柳絮等。碳材料中微孔的存在可以显著增加特定表面积，在增强特定电容方面起着关键作用。
[0008]然而，具有复杂孔隙结构的微孔对碳材料的电化学性能没多大益处。研究表明，超微孔 (<0.70纳米)可能通过低电流密度的离子溶解而导致相对较高的特定电容，但这些孔隙无法以高放电率进入，导致比表面积有效利用率低，电化学性能不甚理想。
[0009]因此，有必要进一步研究探索新的生物质材料作为碳源，开发具有高比表面积、合理孔径分布的多孔碳材料，以更好满足超级电容器的应用需求。这是本专利技术的目的之一。
[0010]我国是世界上最大的烟叶生产国，每年烟草生产会产生大量烟草废弃物。若对烟草废料进行“资源化”利用，不仅可以使这部分废物变为宝贵的资源，而且能提高烟农的经济收入，促进我国“两烟”产业的健康发展，也符合国家固体废弃物“资源化”的方针。现有技术中，出现了使用水热法将烟草制备成前驱体，然后通过KOH活化，用作超级电容器的电极材料，取得了较好的性能，但整个制备时间较长，且KOH活化剂对设备腐蚀性较强。
[0011]在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：
[0012]1、现有的电极材料用碳源，比表面积较低，孔径分布不够合理，超级电容器的应用
需求没有得到满足；
[0013]2、现有超级电容器的电极材料电容量还有待进一步提高。
[0014]3、现有电极材料用碳源的制备工艺中，工艺复杂，不容易控制，且使用的活化剂对设备腐蚀性较强，能耗高。

技术实现思路

[0015]鉴于此，本专利技术目的之一在于提供一种具有高比表面积的活性炭，该活性炭不仅比表面积高，而且总孔容大，具有丰富的微孔结构。
[0016]本专利技术的目的之二在于提供一种前述活性炭的制备方法。
[0017]本专利技术的目的之三在于提供一种前述活性炭作为电容电极材料的用途。
[0018]本专利技术的目的之四在于提供一种超级电容电极。
[0019]本专利技术的目的之五在于提供一种前述超级电容电极的制备方法。
[0020]专利技术人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本专利技术提供的技术方案是，提供一种高比表活性炭，其特征在于，以烟叶为碳源，利用K2CO3一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m2/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm3·
g
‑1。
[0021]根据本专利技术高比表活性炭的一个实施方式，所述活性炭的比表面积为2058m2·
g
‑1，总孔容1.20389cm3·
g
‑1，微孔范围0.74
‑
2nm。
[0022]本专利技术还提供了一种前述高比表活性炭的制备方法，步骤如下：
[0023]S101：将烟叶清洗干净，并干燥处理；将干燥后的烟叶粉碎，过筛后收集备用；
[0024]S102：将无水碳酸钾与烟草粉末按预设比例混合，充分研磨，
[0025]S103：将研磨后的样品置于坩埚中，在惰性气体保护下，于活化炉中活化；
[0026]S104：冷却后取出样品；用稀盐酸除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。
[0027]根据本专利技术高比表活性炭的制备方法优选的实施方式，具体步骤如下：
[0028]S101：选用烟叶，用清水反复清洗干净，并在40～90℃烘箱中干燥5～12h，将干燥后的废弃烟叶使用粉碎机破碎，过100目筛后收集备用；
[0029]S102：无水碳酸钾与烟草粉末按质量比为(1～5)：1的比例混合，充分研磨
[0030]S103：将研磨后的样品置于舟形坩埚中，在氩气气氛保护下，于管式炉中从室温以 10℃/min的升温速率加热到800～900℃，恒温50～80min，
[0031]S104：加入1M的稀盐酸搅拌10～15h，除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。
[0032]根据本专利技术高比表活性炭的制备方法优选的实施方式，所述步骤S104还包括水洗步骤：冷却后取出样品，先使用蒸馏水或去离子水水洗后，再使用稀盐酸酸洗；水洗液重结晶得到 K2CO3。本专利技术还提供了一种超级电容电极，在前述高比表活性炭中添加导电剂和粘结剂制作而成。
[0033]根据本专利技术超级电容电极的一个优选实施方式，所述活性炭、导电剂和粘结剂质量比为 8：1：1。
[0034]根据本专利技术超级电容电极的一个优选实施方式，所述导电剂为炭黑；所述粘结剂
为聚四氟乙烯。
[0035]本专利技术还提供了一种前述超级电容电极的制备方法，顺次包括以下步骤：
[0036]S201：将所述活性炭、导电剂及粘结剂按预设质量比混合；
[0037]S202：移取预设体积的无水乙醇加入S201所得混合物；
[0038]S203：超声处理10～60min；
[0039]S204：将超声处理后的混合物涂覆在泡沫镍集电极上；
[0040]S205：涂覆完的电极在真空干燥箱中100～150℃下干燥6～1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比表活性炭，其特征在于，以烟叶为碳源，利用K2CO3一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m2/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm3·
g
‑1。2.根据权利要求1所述高比表活性炭，其特征在于，所述活性炭的比表面积为2058m2·
g
‑1，总孔容1.20389cm3·
g
‑1，微孔范围0.74～2nm。3.一种权利要求1或2所述高比表活性炭的制备方法，其特征在于，步骤如下：S101：将烟叶清洗干净，并干燥处理；将干燥后的烟叶粉碎，过筛后收集备用；S102：将无水碳酸钾与烟草粉末按预设比例混合，充分研磨，S103：将研磨后的样品置于坩埚中，在惰性气体保护下，于活化炉中活化；S104：冷却后取出样品；用稀盐酸除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。4.根据权利要求3所述高比表活性炭的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：S101：选用烟叶，用清水反复清洗干净，并在40～90℃烘箱中干燥5～12h，将干燥后的废弃烟叶使用粉碎机破碎，过100目筛后收集备用；S102：无水碳酸钾与烟草粉末按质量比为(1～5)：1的比例混合，充分研磨S103：将研磨后的样品置于舟形坩埚中，在氩气气氛保护下，于管式炉中从室温以10℃/min的升温速率加热到800～900℃，恒温50～80min，S104：加入1M的稀盐酸搅拌10～15h，除去剩余活化剂和多孔碳中的金属离子，过滤并用去离子水反复洗涤至中性，干燥。5.根据权利要求3所述高比表活性炭...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶晓秋，李军，熊巍，张天亮，张海燕，靳冬梅，庞夙，韶济民，黄玫，李晨曦，
申请(专利权)人：中国烟草总公司四川省公司，
类型：发明
国别省市：