一种废弃物衍生碳电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种废弃物衍生碳电极材料及其制备方法，属于新能源电子材料技术领域。本发明专利技术的电极材料以废弃香烟过滤嘴为前驱体，经过微波水热处理、加碱处理、活化碳化过程制备得到。本发明专利技术采用微波水热法制备废弃物衍生碳电极材料，其具有高比表面积和窄的孔径分布，用于超级电容器碳电极，电化学性能优异。本发明专利技术的制备方法与普通水热法相比，具有高效率性，所制备的样品结构稳定性好、比电容值高、循环寿命长、能源利用率高，对于推动超级电容器领域的发展有重要意义。领域的发展有重要意义。领域的发展有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种废弃物衍生碳电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于新能源电子材料
，特别是涉及一种废弃物衍生碳电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]化石燃料短缺和气候变化是引起广泛关注的问题之一。用生物质能、太阳能和风能等可再生资源取代化石燃料被认为是实现可持续发展的一种有前途的方法。然而，可再生能源的发电通常是空间分散和时间间歇的。为了保持可再生能源电力系统的稳定性和安全性，未来电力系统中储能装置必不可少。超级电容器由于其高功率密度、长寿命、循环稳定性好和快速充电率，是高效和可持续的候选产品。
[0003]超级电容器通过电极与电解质之间形成的电化学双层或表面官能团的法拉第反应来存储电能。多孔碳是超级电容器最理想的材料之一。多孔碳的电容性能主要与其比表面积和孔结构有关。表面积为电双层的形成提供了场所，孔隙结构决定了内部孔隙的可达性。由于微孔(孔径<2nm)、中孔(孔径2nm～50nm)和大孔(孔径>50nm)的协同作用，有利于形成纳米级的孔隙结构，其中微孔贡献了丰富的比表面积，中孔提高了电解质离子的传质速率，大孔减小了离子的传递距离。
[0004]目前，香烟过滤嘴(CFs)已成为最大的固体废物来源之一，引起了严重的环境问题。对废弃CFs收集处理后，在离子吸附、催化及能源领域有着较为高效的能源利用率，并减少其对环境的负担及土壤的危害性。CFs最主要的成分是醋酸纤维素，也是制备高性能多孔碳的理想前驱体之一。纤维基多孔碳具有准定向多孔结构，具有亲水性和快速的水转移能力。目前，有现有技术报道在含氮气氛下，通过对香烟过滤嘴进行热处理，一步法制备氮掺杂介/微孔杂化碳材料(NCF)的方法。虽然NCF具有较好的速率性能和更高的比电容(153.8F/g)，但该性能仍旧不能满足工业需求，需要对材料的孔隙结构进一步完善。因此，亟需研制一种比表面积高、孔径大小均匀、结构稳定性好、比电容高、循环寿命长的废弃香烟过滤嘴衍生碳电极材料。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种废弃物衍生碳电极材料及其制备方法，本专利技术的废弃物衍生碳电极材料具有高比表面积和窄的孔径分布，用于超级电容器碳电极，电化学性能优异，具有结构稳定性好、比电容值高、循环寿命长、能源利用率高等优势。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术目的之一是提供一种废弃物衍生碳电极材料，所述电极材料以废弃香烟过滤嘴为前驱体，经过微波水热处理、加碱处理、活化碳化过程制备得到。
[0008]本专利技术目的之二是提供一种所述的废弃物衍生碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)将废弃香烟过滤嘴撕开分散并置于水中，在微波反应器中进行微波水热处理，
处理温度为180～240℃，处理时间为1～3h，冷却至室温后得到样品；
[0010](2)将步骤(1)得到的样品洗涤、干燥，按照m
样
:m
碱
＝1:1～5的质量比将样品和碱性试剂分散于水中，充分搅拌并干燥；
[0011](3)将步骤(2)干燥后的样品进行活化碳化，采用分段升温的方式升温至600～800℃，活化碳化40～100min；然后冷却至室温，在HCl溶液中浸泡至中性，洗涤烘干得到所述废弃物衍生碳电极材料。
[0012]进一步地，步骤(1)所述微波水热处理的温度为200℃，时间为2h。
[0013]进一步地，步骤(2)所述样品和碱性试剂的质量比为1:4；所述碱性试剂为氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种。
[0014]进一步地，步骤(2)所述搅拌的时间为2h，所述干燥是在65℃烘箱中干燥过夜。
[0015]进一步地，步骤(3)所述分段升温是以3℃/min的升温速率升温至300～400℃，再以2℃/min的升温速率升温至600～800℃。
[0016]进一步地，所述分段升温是以3℃/min的升温速率升温至350℃，再以2℃/min的升温速率升温至700℃。
[0017]进一步地，步骤(3)所述活化碳化的时间为60min；所述HCl溶液的浓度为1mol/L。
[0018]本专利技术目的之三是提供一种所述的废弃物衍生碳电极材料在超级电容器制备中的应用。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020](1)本专利技术以废弃香烟过滤嘴为原料，经过微波水热处理、加碱处理、活化碳化过程，将废弃香烟过滤嘴转化为具有高比表面积和窄的孔径分布的电极材料，可用于超级电容器碳电极，电化学性能优异，可将废弃香烟过滤嘴资源化，符合环保要求。
[0021](2)本专利技术制备过程简单，采用分段升温方式使碳化过程反应更充分，该方法具有可重复性高、电化学性能稳定的特点。本专利技术使用的制备方法与普通水热法相比，具有高效率性，所制备的样品具有结构稳定性好、比电容值高、循环寿命长等优点。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本专利技术实施例2制得的废弃物衍生碳电极材料的扫描电镜图片；
[0024]图2为本专利技术实施例2制得的废弃物衍生碳电极材料的氮气吸脱附图片；
[0025]图3为本专利技术实施例1～4制得的废弃物衍生碳电极材料的恒电流充放电图片。
具体实施方式
[0026]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0027]下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0028]实施例1
[0029](1)将废弃香烟过滤嘴撕开分散，得到蓬松的白色或黄褐色物质，将其置于水中，在微波水热釜中进行微波水热处理，处理温度为180℃，处理时间为2h，冷却至室温后得到样品；
[0030](2)将步骤(1)得到的样品洗涤、干燥，按照m
样
:m
碱
＝1:4的质量比将样品和氢氧化钠分散于水中，搅拌2h，在65℃烘箱中干燥过夜；
[0031](3)将步骤(2)干燥后的样品进行活化碳化，以3℃/min的升温速率升温至350℃，再以2℃/min的升温速率升温至700℃，在700℃下活化碳化60min；然后冷却至室温，在1mol/L的HCl溶液中浸泡至中性，洗涤烘干得到废弃物衍生碳电极材料。
[0032]实施例2
[0033]同实施例1，区别在于，微波水热处理的温度为200℃。
[0034]实施例3
[0035]同实施例1，区别在于，微波水热处理的温度为220℃。
[0036]实施例4
[0037]同实施例1，区别在于，微波水热处理的温度为2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种废弃物衍生碳电极材料，其特征在于，所述电极材料以废弃香烟过滤嘴为前驱体，经过微波水热处理、加碱处理、活化碳化过程制备得到。2.一种如权利要求1所述的废弃物衍生碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将废弃香烟过滤嘴置于水中，进行微波水热处理，处理温度为180～240℃，处理时间为1～3h，冷却至室温后得到样品；(2)将步骤(1)得到的样品洗涤、干燥，按照m
样
:m
碱
＝1:1～5的质量比将样品和碱性试剂分散于水中，充分搅拌并干燥；(3)将步骤(2)干燥后的样品进行活化碳化，采用分段升温的方式升温至600～800℃，活化碳化40～100min；然后冷却至室温，在HCl溶液中浸泡至中性，洗涤烘干得到所述废弃物衍生碳电极材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述微波水热处理的温度为200℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑承兵，高旭，彭俊，
申请(专利权)人：明士新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：