一种超级电容炭制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超级电容炭制备方法，包括步骤S1.将果皮水洗、冷冻处理之后冷冻干燥处理；S2.粉碎、过筛；S3.与硅酸钠混合，研磨处理；S4.在反应炉中、在惰性气体环境中，活化炭化处理、随炉冷却；S5.过滤、洗涤，烘干干燥，随炉冷却。得到超级电容炭。其冷冻干燥处理保存了果皮中的疏松孔洞及孔道结构完整性，Na2SiO3作为活化剂形成丰富的且富含中孔与大孔的多孔结构和增加其比表面积方面。本发明专利技术的方法简单而方便，成本低廉，有利于大规模生产，所获得的超级电容炭具有富含中孔与大孔的多孔结构和高表面积。高表面积。高表面积。

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容炭制备方法


[0001]本专利技术涉及活性炭材料
，尤其涉及一种超级电容炭制备方法。

技术介绍

[0002]碳材料因其形态多样、高电导率、无毒、比表面积大等突出特点，所以在储能器件、吸附或催化等领域得到了广泛的应用。特别是在超级电容器的储能中，碳质材料是应用最广泛的电极材料。碳材料作为超级电容器电极材料，主要通过电化学双层电容器在界面双层上储存电荷。具有合适孔径的丰富多孔结构，高比表面积和丰富的表面官能团的碳材料是提高超级电容器电化学性能的迫切要求。
[0003]选择生物质作为制备活性炭的碳源，因其来源极其丰富，成本低廉可再生从而产生较高收益。然而，生物质炭前体的直接热解也面临许多缺点，例如在热解过程中严重收缩，导致比表面积低，产生表面惰性，缺乏活性位点等。通常通过活化的方法使得生物质材料增大比表面积和丰富的多孔结构。但是，传统的活化剂，例如KOH，NaOH，Na2CO3，K2CO3或金属氯化物，这些活化剂总是会蚀刻掉大量的炭前体，导致产成率差。此外，常见的KOH活化剂通常显示出狭窄的微孔特性，这限制了大尺寸离子的传输并破坏了其作为超级电容器的电机材料的电化学性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提出一种超级电容炭的制备方法,采用硅酸盐作为活化剂制备生物质超级电容炭。通过本专利技术能够得到具有丰富分级孔径和高比表面积的、具有优异的电化学性能的、能够作为超级电容器电极的超级电容炭。
[0005]为实现上述目的，本专利技术涉及的超级电容炭制备方法包括以下步骤：
[0006]S1.将果皮水洗洗净后进行冷冻处理之后冷冻干燥处理得到碳源；
[0007]S2.将所述碳源进行粉碎、过筛后得到炭前体；
[0008]S3.将所述炭前体与硅酸钠混合，球磨处理；
[0009]S4.将步骤S3得到的炭前体与硅酸钠的混合物，在惰性气体环境中，在反应炉中进行活化炭化处理、随炉冷却至室温；
[0010]S5.将步骤S4的所述混合物过滤、水洗洗涤后，烘干干燥，随炉冷却。
[0011]根据本专利技术的一个方面，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
18℃至
‑
20℃温度条件下进行冷冻，冷冻时间为12h
‑
24h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
20℃至
‑
40℃温度条件下进行冷冻干燥8h
‑
12h；
[0012]对生物质果皮，先冷冻使果皮中的大量水分冷冻成固体状态，在通过冷冻干燥机将水分直接升华成水蒸气排出，最大限度地保存了果皮中的疏松的孔洞及孔道结构的完整性，保证了孔洞及孔道结构不会塌陷造成炭原料孔隙率的减少，对于通过后续步骤获得高比表面积的超级电容炭至关重要。
[0013]根据本专利技术的一个方面，优选地，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
18℃温度条件
下进行冷冻，冷冻时间为24h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
20℃温度条件下进行冷冻干燥12h；
[0014]根据本专利技术的一个方面，优选地，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
20℃温度条件下进行冷冻，冷冻时间为12h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
40℃温度条件下进行冷冻干燥8h；
[0015]根据本专利技术的一个方面，优选地，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
19℃温度条件下进行冷冻，冷冻时间为18h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
30℃温度条件下进行冷冻干燥10h；
[0016]根据本专利技术的一个方面，在步骤S2中，在粉碎机中粉碎20min
‑
40min后，过筛得到颗粒直径小于等于200目的炭前体。所述炭前体的颗粒直径小于等于0.076mm。微小的颗粒有益于在下一步骤中与硅酸钠的充分混合。
[0017]根据本专利技术的一个方面，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1：(1
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5)的比例下混合后，在球磨机中球磨20min
‑
60min，得到炭前体与活化物的混合物。球磨机中钢球与物料是点接触，这种研磨方式使得炭前体与硅酸钠粒度更细，使细小的硅酸钠颗粒更加容易进入到炭前体颗粒的孔隙中去，炭前体颗粒中含有越多的硅酸钠颗粒，在下一步骤中的活化炭化反应中，就能够给炭前体更好的支撑，形成大量中孔、孔径为2nm
‑
50nm,与大孔、孔径>50nm,这样的分级的孔隙结构，在提高比表面积的同时很好地同时调控了孔径的分布。
[0018]根据本专利技术的一个方面，优选地，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1：1的比例下混合后，在球磨机中球磨20min，得到炭前体与活化物的混合物。
[0019]根据本专利技术的一个方面，优选地，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1：5的比例下混合后，在球磨机中球磨60min，得到炭前体与活化物的混合物。
[0020]根据本专利技术的一个方面，优选地，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1：3的比例下混合后，在球磨机中球磨40min，得到炭前体与活化物的混合物。
[0021]根据本专利技术的一个方面，步骤S4中，惰性气体为氮气或者氩气；所述活化炭化处理为，在1℃
‑
5℃/min的升温速度下，升温至700℃
‑
1000℃，恒温保温2h
‑
4h。此步骤为制备超级电容炭的关键步骤，在惰性气体的保护下，保持恒定的升温速度并恒温保温适宜的时间，在热处理过程中，碳前体会转化为碳，而Na2SiO3可以支撑碳前驱体框架以防止其收缩。Na2SiO3经水洗蚀刻后，可得到具有丰富多孔结构和高比表面积的碳材料。
[0022]根据本专利技术的一个方面，优选地，步骤S4中，惰性气体为氮气或者氩气；所述活化炭化处理为，在1℃的升温速度下，升温至700℃，恒温保温2h。
[0023]根据本专利技术的一个方面，优选地，步骤S4中，惰性气体为氮气或者氩气；所述活化炭化处理为，在5℃/min的升温速度下，升温至1000℃，恒温保温4h。
[0024]根据本专利技术的一个方面，优选地，步骤S4中，惰性气体为氮气或者氩气；所述活化炭化处理为，在3℃/min的升温速度下，升温至850℃，恒温保温3h。
[0025]根据本专利技术的一个方面，步骤S5中，所述混合物在烘箱预热后，在烘箱中烘干，烘干温度为60℃
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80℃，恒温烘干8h
‑
12h，然后随炉冷却至室温。即可获得超级电容炭。
[0026]根据本专利技术的一个方面，所述果皮为火龙果果皮和柑橘类水果果皮中的一种或几种。优选地、所述果皮没有腐坏和风干，其孔隙组织处在为未塌陷和收缩的状态。
[0027]火龙果及柑橘类水果的果皮占新鲜果实重量的22％到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超级电容炭制备方法，包括以下步骤：S1.将果皮水洗、冷冻处理之后冷冻干燥处理；S2.粉碎、过筛；S3.与硅酸钠混合，研磨处理；S4.在反应炉中、在惰性气体环境中，活化炭化处理、随炉冷却；S5.过滤、洗涤，烘干干燥，随炉冷却。2.根据权利要求1所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
18℃至
‑
20℃温度条件下、冷冻12h
‑
24h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
20℃至
‑
40℃温度条件下、冷冻干燥8h
‑
12h。3.根据权利要求2所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
18℃温度条件下冷冻24h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
20℃温度条件下冷冻干燥12h。4.根据权利要求2所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
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20℃温度条件下冷冻12h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
‑
40℃温度条件下冷冻干燥8h。5.根据权利要求2所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述冷冻处理为，在
‑
19℃温度条件下冷冻18h；所述冷冻干燥处理为，在冷冻干燥机中，在
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30℃温度条件下冷冻干燥10h。6.根据权利要求2所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，在步骤S2中，在粉碎机中粉碎20min
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40min后，过筛得到颗粒直径小于等于200目的炭前体。7.根据权利要求6所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1：1
‑
5的比例下混合后，在球磨机中球磨20min
‑
60min，得到炭前体与活化物的混合物。8.根据权利要求7所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1：1的比例下混合后，在球磨机中球磨20min，得到炭前体与活化物的混合物。9.根据权利要求7所述的超级电容炭制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述炭前体与所述硅酸钠在质量比为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏钢钢，乔骊竹，李现化，
申请(专利权)人：中欣环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：