[发明专利]一种活性炭电极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备技术领域，具体涉及一种活性炭电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

在社会经济迅速发展，资源日渐短缺的今天，新型储能元件超级电容器得到快速发展，很好地弥补了电池和燃料电池功率低、耐大电流充放电性能差和传统电容器储能密度小的缺点，在新能源汽车、移动通讯和航空航天等领域的应用越来越受到人们的关注。因此，电化学电容器的研究已经成为新型储能元件研究的热点，而电极材料是决定电化学电容器性能的关键因素。在超级电容器的各种电极材料中，价格低廉的活性炭材料是应用最广泛的一类。炭材料具有优良的导热和导电性能，其密度低、抗化学腐蚀性能好、热膨胀系数小、弹性模量不高，故被广泛用于电化学领域作电极材料。公开号为CN101423210A的专利公开了一种用生物质材料为原料的极性电极用活性炭的制造方法；公开号为CN102205963A的专利公开了一种将生物质水解后的糖酸溶液进行缩聚炭化制备超级电容器用活性炭的方法；公开号为CN104167301A的专利公开了一种碳化浒苔制备超级电容器电极材料的方法；刘军利等人(林产化学与工业,2005,25:69-72)报道了以核桃壳为原料制备双电层电容器用活性炭的方法；白翔等人(炭素技术,2009,28(1):9-13)研究了竹炭基超级电容器电极材料的制备和电化学性质。这些方法直接利用生物质为原料进行不同程度的炭化制备活性炭电极材料，炭化工艺时间长、产量低、炭化不均匀、稳定性差且制得的活性炭存在比表面积小、比电容量低等缺点。

生物质直接脱氧液化生物炭是生物质直接脱氧液化技术(ZL201210447287.3)制备液体燃油的联产固体产物。直接脱氧液化反应是将生物质放入高温高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的脱氧工艺条件下反应，能获得高热值的液态燃油和含碳量很高的固体残渣—生物炭。在此过程中生物质经历了前期的高温高压液化阶段，又经历了第二阶段的常压高温蒸馏阶段，因此产生的生物炭不含焦油，颗粒均匀。

目前，这种固体产物一般直接用作吸附剂和土壤改良剂，国内外尚未见对固体产物进行改性制得可直接用于制备超级电容器的活性炭材料，也没有生物质直接脱氧液化生物炭为原料制备超级电容器电极材料的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的弊端，提供一种活性炭电极材料及其制备方法与应用，将生物质直接脱氧液化生物炭进行简单的加工处理，可以制得高比电容量(>200F/g)的活性炭电极材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种活性炭材料，由生物质直接液化得到的生物炭经过活化、酸洗制备而成；生物质直接液化制得生物炭的方法，包括如下步骤：首先将生物质粉碎，在生物质粉末中加入水和催化剂得到混合物，将混合物放入密闭的反应釜中，进行加热反应，将反应产物进行常压蒸馏，剩余的固体残渣即为生物质直接液化得到的生物炭。

优选的，所述活化使用的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、磷酸、过渡金属磷酸盐中的一种。

活化剂的加入可使活性炭比表面积增大，在氢氧化钾活化过程中，具有脱水与侵蚀作用，使得原料中的有机结构破坏，产生更多的微孔和中孔。

优选的，活化剂与生物炭的质量比为3-8:1。

优选的，所述生物质为农作物秸秆、锯末、树枝或海藻类生物质。

进一步优选的，生物质与活化剂进行混合后得到混合液，再将混合料烘干，得到混合料，烘干的温度为100-150℃，干燥的时间为10-20h。

优选的，所述活化为在惰性气体保护下，在600-900℃活化1-3h。

生物炭上的活性点碳原子与氢氧化钾反应需要较高的活化能，温度较低和活化时间较短时，活性点上的碳原子不能充分与氢氧化钾反应，从而生成的微孔量少，升高温度和加长活化时间，能使更多的活性点参与反应，使得微孔数量明显增加，但与氢氧化钾反应的活性点有一定的数量范围，当超过一定时间后，继续延长时间，导致原先已生成的微孔进一步与氢氧化钾反应，从而改变孔结构，在达到最大吸附值后，再延长活化时间也会增加灰分的含量。

优选的，所述酸洗为使用盐酸洗涤后，再使用水将活性炭洗涤至中性，盐酸的浓度为5-10％。

上述活性炭材料在制备活性炭电极中的应用。

一种活性炭电极，由以下重量份的组分制成：所述活性炭材料7-9份，PTEF0.8-1.2份，乙炔炭黑0.8-1.2份。

优选的，所述活性炭电极的厚度为80-150μm。