[发明专利]一种超级电容器用热氧化活性炭的制备方法和应用

说明书

本发明属于活性炭改性技术领域，公开了一种超级电容器用热氧化活性炭的制备方法和应用。所述方法包括以下步骤：将活性炭在Osubgt;2/subgt;气氛中进行热重测试，从而判定活性炭与Osubgt;2/subgt;发生反应的起始温度；进而在含Osubgt;2/subgt;气氛中对活性炭进行热氧化处理。本发明制得的热氧化活性炭中氧主要镶嵌到活性炭的缺陷位，氧的质量分数达到15wt％以上，同时，伴随着活性炭中的部分碳原子转变为气态的碳氧化物生成大量的新孔，且基本不破坏活性炭中石墨化碳的结构。这有助于增强活性炭电极与电解液间的浸润性，有利于电解液离子的传输和扩展，同时新生成的孔为电解液离子提供了更多的存储空间，有利于获得高的超级电容器性能。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种应用于提升超级电容器电化学性能的活性炭类材料的改性技术工艺。

背景技术

碳材料具有电导率高、抗腐蚀、耐氧化、轻质等特性，在储能、复合材料、航空航天、电子信息、电磁兼容等领域得到了广泛的应用。碳材料中的活性炭(AC)具有孔隙结构丰富、比表面积大、吸附性强等性质，在超级电容器、吸附有害气体、催化剂载体、污水处理等方面具有广泛的应用。在超级电容器领域，AC丰富的孔隙结构和高的比表面积有利于电解质离子的快速扩散和传输，从而获得优异超级电容器性能。制备活性炭的活化剂主要包括氢氧化钾、磷酸、水蒸气、二氧化碳等，但是所制备的活性炭虽然具有高的比表面积但是氧含量非常少。电解液对活性炭材料的浸润效果也对超级电容器性能具有非常重要的影响，高的润湿性可以降低电解质离子的扩散阻力，提高电解质离子与活性炭的接触率，提高比表面积的利用效率。AC表面的含氧基团，比如羟基(-OH)、羧基(-COOH)和醚类(C-O-C)等，可以有效的提高活性炭与极性电解液之间的润湿性，从而获得优异的超级电容器性能。中国专利CN 111977653A公开了将活性炭通过HNO₃、H₂O₂或H₂SO₄等氧化性酸进行水热改性，改性活性炭用于超级电容器的倍率性能、比电容量均有大幅提升，并具有优异的循环稳定性。

虽然常用的氧化性酸改性活性炭的方法可以使得活性炭附着氧，从而提升离子的转移速率，但是所附着的氧原子占据了活性炭微孔，从而减少了其微孔体积，另外，所附着的氧会增加活性炭的质量，这两方面导致强酸氧化的活性炭的比表面积有很大程度地减少。虽然附着的氧增加了活性炭与极性电解液间的浸润效果，但是比表面积的减少不利于对超级电容器的高容量。因此，探索方法使得活性炭在附着氧的同时保持高的比表面积将是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于寻求一种在附着氧的同时仍保持较高比表面积的活性炭，且这种活性炭具有优异的超级电容特性。将活性炭在含O₂气氛中于一定温度下热处理一段时间，由此获得富氧且高比表面积的活性炭。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种超级电容器用热氧化活性炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将活性炭在O₂气氛中进行热重测试，以判定活性炭与O₂的反应温度；

(2)将活性炭放到高温炉中，升温至反应温度，同时通入小流量的含O₂气氛，并在反应温度下维持一段时间，得到富氧且高比表面积的热氧化活性炭。

本发明第二方面提供由上述方法制得的超级电容器用热氧化活性炭。

本发明第三方面提供上述热氧化活性炭材料在超级电容器的应用。

通过上述技术方案，本发明具有以下有益效果：