一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法技术

一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法是将超级电容活性炭置于微波炉内的托盘中，然后以惰性气氛吹扫微波炉内腔，使微波炉内腔的氧含量值降至2‑10ppm，开启微波炉，微波加热时间为0.5‑1min，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭。本发明专利技术具有工艺简单、能耗低、耗时短，能够大幅降低超级电容活性炭的含氧官能团的优点。

Preparation of Supercapacitor Activated Carbon with Ultra-low Surface Oxygen Functional Groups

A preparation method of Supercapacitive activated carbon with ultra-low surface oxygen functional groups is to place Supercapacitive activated carbon in the tray of microwave oven, then purge the chamber of microwave oven with inert atmosphere, so that the oxygen content in the chamber of microwave oven can be reduced to 2_10 ppm, and open the microwave oven. The microwave heating time is 0.5_1 min. Natural cooling will result in super electricity with ultra-low surface oxygen functional groups. Volume activated carbon. The invention has the advantages of simple process, low energy consumption and short time consumption, and can greatly reduce the oxygen-containing functional groups of Supercapacitive activated carbon.

【技术实现步骤摘要】
一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法
本专利技术属于一种降低炭材料表面官能团的领域，具体地说涉及一种降低超级电容活性炭表面含氧官能团的方法。
技术介绍
超级电容活性炭具有高的比表面积、高孔容、高电导率、低灰分、低金属离子、小粒径等独特优势，可广泛应用于超级电容器、铅碳电池、锂硫电池等新能源储能器件中。其中，超级电容活性炭表面的含氧官能团具有较强的活性，在储能器件中进行充放电时容易发生分解反应，进而影响电解液的性能，导致储能器件的循环性能不稳定。为保持储能器件较高的循环稳定性，降低超级电容活性炭表面的含氧官能团势在必行。目前，降低超级电容活性炭表面含氧官能团的方法主要是引入还原剂或进行高温氢气热处理，如李开喜(专利公开号：CN101597056A)等在活性炭中引入水合肼、NaOH和一缩二乙二醇，然后加热190-220℃，从而将含氧官能团还原。但上述方法会大量引入杂类物质，后续仍需要进一步纯化，工艺过程过于复杂。如杜嬛(氢气还原对活性炭电极电化学性能影响的研究，中国固态离子学暨国际电动汽车动力技术研讨会，2006)等以商品化活性炭为原料，于873K氢气气氛下热解1h去除含氧官能团，虽然通过上述技术手段能够降低超级电容活性炭表面的含氧官能团，但高温热处理过程的能耗大、耗时长、产品的损耗高，导致超级电容活性炭的成本急剧增加。微波是一种高频率的电磁波，能够使材料受热均匀，加速超级电容活性炭表面官能团的断裂，从而降低材料本身的含氧官能团。此外，不同于上述工艺路线，微波对超级电容活性炭的比表面积和平均孔径没有影响。然而，目前尚未见相关专利或文献报道。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种工艺简单、能耗低、耗时短的具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法。本专利技术是以超级电容活性炭作为原料，通过微波加热的方式调控微波的功率和时间实现降低超级电容活性炭表面含氧官能团的目的。其原理是通过微波炉的磁控管，将电能转化成微波。超级电容活性炭的表面含氧官能团吸收微波后快速震动断裂，最终实现从炭材料本身脱除的目的。本专利技术是采用如下技术方案实现的：(1)将超级电容活性炭置于微波炉内的托盘中，然后以流速为1-12ml/min·g(每分钟每克超级电容活性炭所需要的惰性气氛)惰性气氛吹扫微波炉内腔0.1-0.5min，使微波炉内腔的氧含量值降至2-10ppm；(2)开启微波炉，微波功率为0.1-0.5kW·g，微波加热时间为0.5-1min，在微波加热过程中惰性气氛流速降为0.5-1ml/min·g；(3)微波加热结束后，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭。如上所述的惰性气氛为氩气、氦气或氮气。如上所述步骤(1)的超级电容活性炭的比表面积在1500-2800m2/g之间，较优化的比表面积在1600-2200m2/g之间，更加优化的比表面积在1600-2000m2/g之间。经大量实验验证，超级电容活性炭的比表面积大，孔隙发达，在孔隙内部的表面含氧官能团受热时间、热力场、微波场有较大差别，因此含氧官能团断裂的均匀性和稳定性也不一致。当比表面积低于1500m2/g时，超级电容活性炭存在大量无贯通孔，难以通过热力场进行传导；当比表面积高于2800m2/g时，超级电容活性炭存在大量贯通孔，难以通过微波场进行传导，两种情况均致使表面含氧官能团断裂不充分。如上所述步骤(1)的超级电容活性炭的平均孔径在2.0-3.2nm之间，较优化的平均孔径在2-3nm之间，更加优化的平均孔径在2.5-2.8nm之间。超级电容活性炭的平均孔径对其电化学性能影响较大。经大量实验验证，有机电解液的溶剂化离子直径通常为0.8nm左右，而电解液离子能够自由穿梭的孔径必须高于溶剂化离子直径的2.5-4倍。低于2nm的孔径降低了电解液离子在超级电容活性炭孔隙中的穿梭速率，进而降低储能的功率特性；高于3.2nm的孔径不利于电解液离子在超级电容活性炭孔隙中的电荷储存，进而降低储能的能量特性。如上所述步骤(1)的表面含氧官能团占超级电容活性炭的的质量百分比为1-10％。较优化的表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比为1-5％，更加优化的表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比为1-3％。经Boehm官能团滴定和元素分析检测，超级电容活性炭存在大量的羧基、羟基、羰基、内酯基等含氧官能团，由于超级电容活性炭是经过高温热处理的，表面含氧官能团主要是以惰性化较强的羰基、醌基等形态存在。这些官能团含量越高，通过微波处理越困难。如上所述步骤(3)的超低表面含氧官能团的超级电容活性炭中的表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比为0.02-0.2％。本专利技术具有如下优点：本方法工艺路线简单，能耗低，耗时短，有利于工业化推广。本方法制备能够大幅降低超级电容活性炭的含氧官能团。本方法除降低含氧官能团，还能使电容炭保持原来的比表面积和平均孔径。具体实施方式实施例1：将10g超级电容活性炭(比表面积：1500m2/g，平均孔径：3.2nm，表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比1％,)置于微波炉内的托盘中，然后以流速为10ml/min的氩气吹扫微波炉内腔5min，使微波炉内腔的氧含量值降至10ppm。开启微波炉，微波功率为1kW，微波加热时间为10min，在微波加热过程中氩气流速降为5ml/min。微波加热结束后，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭(表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比为0.02％，比表面积：1500m2/g，平均孔径：3.2nm)。与此对照，采用上述10g超级电容活性炭置于箱式高温氢气还原炉内的托盘中，然后以流速为10ml/min的氩气吹扫氢气还原炉内腔5min，使微波炉内腔的氧含量值降至10ppm。开启氢气还原炉，以5℃/min升温速率升温至750℃。在此温度下通入3％(体积比)的氢气并保持40min。停止通氢气并自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭，其表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比以及比表面积和平均孔径的变化如表1所示。下面所述实施例类同实施例1，均见表1。实施例2：将10g超级电容活性炭(比表面积：1600m2/g，平均孔径：3.0nm，表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比：2％)置于微波炉内的托盘中，然后以流速为30ml/min的氩气吹扫微波炉内腔5min，使微波炉内腔的氧含量值降至6ppm。开启微波炉，微波功率为2kW，微波加热时间为9min，在微波加热过程中氩气流速降为6ml/min。微波加热结束后，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭(表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比为0.05％，比表面积：1600m2/g，平均孔径：3.0nm)。实施例3：将10g超级电容活性炭(比表面积：2000m2/g，平均孔径：2.8nm，表面含氧官能团占超级电容活性炭的质量百分比：4％)置于微波炉内的托盘中，然后以流速为50ml/min的氮气吹扫微波炉内腔4min，使微波炉内腔的氧含量值降至4ppm。开启微波炉，微波功率为3kW，微波加热时间为8min，在微波加热过程中氩气流速降为7ml/min。微波加热结束后，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭(表面含氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将超级电容活性炭置于微波炉内的托盘中，然后以流速为1‑12ml/min·g（每分钟每克超级电容活性炭所需要的惰性气氛）惰性气氛吹扫微波炉内腔0.1‑0.5min，使微波炉内腔的氧含量值降至2‑10ppm；（2）开启微波炉，微波功率为0.1‑0.5kW·g，微波加热时间为0.5‑1min，在微波加热过程中惰性气氛流速降为0.5‑1ml/min·g；（3）微波加热结束后，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将超级电容活性炭置于微波炉内的托盘中，然后以流速为1-12ml/min·g（每分钟每克超级电容活性炭所需要的惰性气氛）惰性气氛吹扫微波炉内腔0.1-0.5min，使微波炉内腔的氧含量值降至2-10ppm；（2）开启微波炉，微波功率为0.1-0.5kW·g，微波加热时间为0.5-1min，在微波加热过程中惰性气氛流速降为0.5-1ml/min·g；（3）微波加热结束后，自然冷却即得具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭。2.如权利要求1所述的一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法，其特征在于所述的惰性气氛为氩气、氦气或氮气。3.如权利要求1所述的一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法，其特征在于所述的超级电容活性炭的比表面积在1500-2800m2/g之间。4.如权利要求3所述的一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法，其特征在于所述的超级电容活性炭的比表面积在1600-2200m2/g之间。5.如权利要求4所述的一种具有超低表面含氧官能团的超级电容活性炭的制备方法，其特征在于所述的超级电容活性炭的比表面积在1600-2000m2/g之间。6.如权利要求1所述的一种具有超...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈成猛，孙国华，姚锦龙，朱庆华，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，山西美锦能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14