[发明专利]一种生物质基活性炭电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及活性炭电极材料的制备领域，具体公开了一种以植物基生物质为原料，先经过预处理，再经过碳化和中低温活化制备高能量密度、长循环寿命的炭电极材料的方法。

背景技术

随着经济社会的的快速发展，能源短缺问题以及化石燃料燃烧所带来的环境污染问题日益凸显，寻找一种高性能、低成本、环境友好型的能源存储装置迫在眉睫。超级电容器是一种介于电容器和化学电池之间的新型快速储能装置，具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电等优点。在通信、工业、航空、航天、国防等领域具有重要的应用前景。

超级电容器根据储能原理可分为双电层电容器与赝电容电容器两种。双电层电容器由于电解液离子在电极材料的表面进行快速的物理吸附、脱附，具有更高的功率密度、更长的循环寿命，但是能量密度低是其目前面临的主要难题。活性炭是双电层电容器的主要电极材料之一，其大的比表面积可以提供更大的电极/电解液接触界面，进而提供更高的能量密度。生物质材料作为活性炭的制备原料，具有来源广、可持续的优点，受到人们的广泛关注。例如中国专利CN105664849A、CN105668566A、CN105692610A、CN105540587A、CN105621408A、CN105645409A报道了以山核桃壳-玉米秸秆、松子壳、椰壳、稻壳、枇杷壳、荔枝壳制备活性炭的方法。但是专利以及文献中提到的活性炭的电性能提高有限，所以研究比电容大、能量密度高、循环寿命长的电极材料成为当务之急。

发明内容

本发明提供了一种超级电容器用生物质基活性炭电极材料的制备方法，步骤如下。

1.生物质材料的氧化处理：将生物质原料置于80~100℃的去离子水中，蒸煮2~4 h，过滤脱水，用氧化剂溶液浸渍，氧化剂溶液浓度1%~20%，优选8%~15%，氧化处理2~5 h，处理温度25~100℃，随后用去离子洗涤、过滤脱除氧化剂。

2. 上述1项中，氧化处理的生物质原料，进行有机胺与碱性化合物的混合溶液浸渍处理，混合溶液中有机胺：碱性化合物的摩尔比为1.0:0~1.0:4.0，优选1.0:1.0~1.0:4.0，浸渍10~24 h，70~100℃烘干，得到碳化前躯体。

3.上述2项中，碳化前躯体的碳化：碳化前驱体置于管式气氛炉中，500~600℃，在惰性气体气氛下碳化，惰性气体流量100~300 ml/min，碳化时间1~3 h，管式气氛炉自然降温，研磨碳化产物，得到碳化物。

4. 上述3项中，碳化物与活化剂的混合，按照活化剂与碳化物的重量比1.0:1.0~6.0:1.0，将碳化物与活化剂混合于去离子水中，搅拌1~3 h，80~100℃蒸发干燥，得到活化前驱体。

5. 上述4项中，活化前驱体的活化：活化前驱体置于管式气氛炉中，升温至500~1000℃，优选500~800℃，最优选500~650℃，在惰性气体气氛中活化处理，惰性气体流量100~300 ml/min，活化时间2~4 h，管式气氛炉自然降温，研磨产物，稀盐酸洗涤、去离子水洗涤，直至pH值=7.0，过滤脱水干燥，即制得电极用活性炭材料。

6. 应用：制备的活性炭作为超级电容器和离子电池的电极材料在不同电解液中进行电性能测试。

7. 上述1项中，所述的生物质原料，包括木棉纤维、棉花纤维、大麻纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、菌丝纤维、柳絮、杨絮、玉米芯、玉米秸秆、大麻杆、稻草、稻壳、花生壳，优选木棉纤维、棉花纤维、柳絮、大麻纤维、大麻杆。

8. 上述1项中，所述的氧化剂，包括双氧水、次氯酸钠、硫酸、硝酸的一种或者两种以上以任意比例混合的混合物，优选双氧水。

9.上述2项中，所述有机胺，包括乙二胺四乙酸（EDTA）、乙二胺四乙酸钠、乙二胺四乙酸铁钠、柠檬酸铵、玫红三羧酸铵、甲基咪草烟一种或者两种以上以任意比例混合的混合物，优选乙二胺四乙酸。

10. 上述2项中，所述碱性化合物，包括氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠一种或者两种以上以任意比例混合的混合物，优选氢氧化钾、氢氧化钠。

11. 上述3、5项中，所述的惰性气体，包括氩气、氖气或氮气，优选氮气。

12. 上述4项中，所述活化剂，包括氢氧化钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸、氯化锌、磷酸氢二铵中的一种或者两种以上以任意比例混合的混合物，优选氢氧化钾、氯化锌。