一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法。包括：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体，升温至300‑500℃，反应1‑3h，冷却至室温；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂与预碳化碳材料混合均匀，加入去离子水，在40‑60℃温度下持续搅拌8‑16h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体的保护下升温至700‑900℃，并反应1‑3h，随后在惰性气体保护下冷却至室温(4)活化后碳材料的酸洗。本发明专利技术工艺过程简单，成本低廉，环境友好，制备出的碳材料电化学性能优良，比电容高，循环稳定性好，倍率性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法
本专利技术涉及生物质碳材料的制备领域，进一步地说，是涉及一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法。
技术介绍
21世纪以来，全球经济继续迅速发展，人们在获得科学技术和生活质量进步的同时，对地球资源的消耗和环境的污染也越来越严重。人们迫切地需求更加绿色、高效、可再生的能源和更先进的能量储存与转换技术。超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的储能装置，因其功率密度高，充电时间短，循环寿命长，工作温度范围宽，以及环境友好性，引起了越来越多的关注。根据能量储存机理，超级电容器主要分为两类。第一类是双电层超级电容器(EDLCs)，它是通过电荷在电极材料和电解液接触的界面形成一个双电层而进行能量储存，这是一个物理过程。双电层超级电容器比较常见的电极材料是活性炭。第二类是赝电容电容器，它的电极材料一般是过渡金属氧化物或导电高分子聚合物，其能量是通过发生在电极材料表面快速可逆的氧化还原反应而进行储存的，这是一个化学过程。相比于双电层电容器，赝电容电容器的比电容及能量密度较高，但是功率密度及循环稳定性较差。因此，将这两种超级电容器的优点接合起来是目前的一个热点问题。目前为止，以氧化石墨烯、碳纤维、碳纳米管等碳材料为基体并掺杂以具有氧还原性质的分散物的材料已经被广泛的应用于超级电容器，他们拥有高比表面积，良好的柔韧性，出色的机械性能等，并表现出了出色的能量储存性能。然而，他们也存在一些缺点，例如，氧化石墨烯的堆叠聚集问题，成本高，制备繁杂等，这些都限制了其应用。
技术实现思路
为解决现有技术中出现的问题，本专利技术的目的是提供一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法。该工艺过程简单，成本低廉，环境友好，制备出的碳材料电化学性能优良，比电容高，循环稳定性好，倍率性能优异。本专利技术的目的是提供一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法。包括：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体，升温至300-500℃，反应1-3h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂与步骤(2)得到的预碳化碳材料混合均匀，加入去离子水，在40-70℃温度下持续搅拌8-16h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体的保护下升温至700-900℃，并反应1-3h，随后在惰性气体保护下冷却至室温；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入酸溶液至溶液显示为中性，透析，然后去除水分。其中，优选:所述惰性气体为氮气、氦气或者氩气的一种或者混合。所述的酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液或者硝酸溶液。步骤(2)和步骤(3)中，升温速度为以5-10℃/min。步骤(2)得到的预碳化碳材料与活化剂的质量比为1:2.5～4.5。步骤(3)中，去离子水的用量为活化剂质量10-20倍。所述的活化剂为氢氧化钾，氢氧化钠，碳酸钾，碳酸钠中一种或几种。本专利技术具体可采用以下技术方案：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体，以5℃/min的速度升温至300-500℃，并反应1-3h，随后在惰性气体保护下自然冷却；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂与步骤(2)得到的预碳化碳材料按比例混合均匀，碳材料与活化剂的质量比为1:2.5～4.5；加入一定量去离子水，在一定温度下持续搅拌12h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体的保护下升温至700-900℃，并反应1-3h，随后在惰性气体保护下自然冷却；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入一定量的酸溶液至溶液显示为中性，将混合液倒入透析袋并密封，随后将透析袋浸入去离子水；将透析后的碳材料放入反应器中将水分去除干净。本专利技术制备的超级电容器电极碳材料的碳源是苹果，原料丰富易得，制备方法简单，制作成本低，可大规模制备，制备过程中使用的原料对人体和环境无害，清洁环保，绿色可持续。本专利技术制备的杂原子自掺杂超级电容器电极碳材料杂原子含量可以达到15％，比表面积可以达到1600m2/g，且其制作的超级电容器电极材料的比电容可以达到325F/g。附图说明图1为实施例1中制备的以苹果为碳源的超级电容器电极碳材料的BET吸附曲线；图2为实施例1中制备的以苹果为碳源的超级电容器电极碳材料电极的循环伏安测试曲线；图3为实施例1中制备的以苹果为碳源的超级电容器电极碳材料电极的恒电流充放电线；图4为实施例1中制备的以苹果为碳源的超级电容器电极碳材料电极的倍率性能曲线。具体实施方式下面结合实施例，进一步说明本专利技术。实施例1：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体氮气，以5℃/min的速度升温至300℃，并反应1h，随后在惰性气体保护下自然冷却；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂KOH与步骤(2)得到的预碳化碳材料按比例混合均匀，碳材料与KOH的质量比为1:3.5；加入15倍活化剂质量的离子水，在40℃持续搅拌16h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体氩气的保护下升温至700℃，并反应1h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入一定量的盐酸溶液至溶液显示为中性，将混合液倒入透析袋并密封，随后将透析袋浸入去离子水；将透析后的碳材料放入反应器中将水分去除干净。实施例2：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体氩气，以10℃/min的速度升温至500℃，并反应2h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂NaOH与步骤(2)得到的预碳化碳材料按比例混合均匀，碳材料与NaOH的质量比为1:2.5；加入20倍活化剂质量的离子水，在50℃持续搅拌12h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体氮气的保护下升温至800℃，并反应2h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入一定量的盐酸溶液至溶液显示为中性，将混合液倒入透析袋并密封，随后将透析袋浸入去离子水；将透析后的碳材料放入反应器中将水分去除干净。实施例3(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体氮气，以10℃/min的速度升温至500℃，并反应3h，随后在惰性气体保护下自然冷却；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂碳酸钾与步骤(2)得到的预碳化碳材料按比例混合均匀，碳材料与碳酸钾的质量比为1:4.5；加入10倍活化剂质量的去离子水，在60℃温度下持续搅拌8h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体的保护下升温至900℃，并反应3h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入一定量的硫酸酸溶液至溶液显示为中性，将混合液倒入透析袋并密封，随后将透析袋浸入去离子水；将透析后的碳材料放入反应器中将水分去除干净。通过以下试验验证本专利技术的效果：试验选用铂片作为基体，取实施例3制备的以苹果为碳源的碳材料、聚偏二氟乙烯质量比为9:1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法，其特征在于所述方法包括：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体，升温至300‑500℃，反应1‑3h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂与步骤(2)得到的预碳化碳材料混合均匀，加入去离子水，在40‑60℃温度下持续搅拌8‑16h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体的保护下升温至700‑900℃，并反应1‑3h，随后在惰性气体保护下冷却至室温；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入酸溶液至溶液显示为中性，透析，然后去除水分。

【技术特征摘要】
1.一种利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法，其特征在于所述方法包括：(1)苹果的预处理：将苹果表面清洗干净，切块，冷冻干燥；(2)苹果的预碳化：将冻干的苹果置入反应器，通入惰性气体，升温至300-500℃，反应1-3h，随后在惰性气体保护下自然冷却至室温；(3)预碳化碳材料的活化：将活化剂与步骤(2)得到的预碳化碳材料混合均匀，加入去离子水，在40-60℃温度下持续搅拌8-16h；放入反应器将去离子水去除干净；在惰性气体的保护下升温至700-900℃，并反应1-3h，随后在惰性气体保护下冷却至室温；(4)活化后碳材料的酸洗：向活化后的碳材料中加入酸溶液至溶液显示为中性，透析，然后去除水分。2.如权利要求1所述的利用苹果制备超级电容器电极碳材料的方法，其特征在于：所述惰性气体为...

【专利技术属性】
技术研发人员：程珏，李媛媛，黄逸舟，张军营，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11