【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学电源材料制备，尤其涉及一种褐煤基超级电容器活性炭电极材料及其制备方法。
技术介绍
1、随着社会科技的快速发展，能源的消耗也随之迅速增加，由此而产生的温室气体排放成倍增加，造成了严重的环境问题。褐煤作为一种低阶煤，其煤化程度低，使得其在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳、颗粒物和有害气体，这些物质对大气和水体会造成污染。除此之外，褐煤的含水量高、热值低，未经处理直接燃烧对环境的危害巨大。因此，如何通过有效的手段提高褐煤的利用效率并减少其对环境的负面影响尤为关键。
2、目前，提高褐煤利用率的处理方法包括褐煤提质分质分级利用技术和煤炭绿色开采和清洁方法等。褐煤提质分质分级利用技术虽然降低了燃煤污染物的排放，但是其技术难度较大，不易存储和运输，限制了该技术的应用和推广。煤炭绿色开采和清洁技术成本相对较高，具有一定的环境风险。经过不断地探索与研究最终发现，具有较高能量密度和燃烧效率的褐煤在发电领域具有广泛的应用前景。
3、低阶褐煤储量丰富、价格低廉，并且在活化处理过程中能够生成高性能的活性炭，具有碳含量低、储存容量高、水分高的特点，通过将褐煤转化为活性炭电极片，并将其应用于电化学储能领域，如作为超级电容器的碳电极，不仅可以提高能源利用效率，还能在一定程度上减少对环境的直接污染。这种转化和应用的过程推动了储能领域的发展，对于能源结构的优化和环境的改善具有积极意义。
4、活性炭作为一种多孔碳材料，是当前广泛使用的超级电容器电极材料。褐煤基活性炭因其高比表面积和良好的导电性，使其适用于超级电容
5、如何优化制备工艺从而改善活性炭孔隙结构并增加其比表面积是当前研究的重点，具有合适孔隙结构的碳电极材料可以提供更多的活性位点，从而提高电解液离子的传导率，进一步增强电容性能。因此，褐煤基活性炭作为超级电容器电极材料展现出巨大的发展潜力。
6、化学活化法是制备高质量多孔炭常用的方法之一，它是一种生产活性炭的单步技术。相比于物理活化法，化学活化法还具有活化时间快、碳产率相对更高、比表面积和孔隙率更大的优点。在化学活化剂的作用下，活化过程中多孔结构的构建相对容易。目前，化学活化过程中广泛使用的活化剂包括酸性活化剂、碱性活化剂和中性活化剂。其中，酸性活化剂具有腐蚀设备的风险，且活化效果较差；中性活化剂的成本较高，并且活化剂及其衍生物具有毒性，因此限制了其应用。
7、相比于酸性活化剂和中性活化剂，碱性活化剂不仅活化效果更好，并且在很大程度上避免了有毒性质的危害。孔隙结构的形成是活性炭制备过程中的关键步骤，采用碱性活化剂进行活化时，由于活化过程中化学反应的不均匀性或活化剂与原料之间的反应不完全会导致活性炭结构不稳定等问题，影响了活性炭的性能和应用效果。针对上述问题，本专利技术优化了制备工艺，成功制备出具备适宜孔隙结构和高比表面积的煤基活性炭，进一步推动了超级电容器在电化学领域的发展。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种褐煤基超级电容器活性炭电极材料及其制备方法，本专利技术制备方法简单，成本低，制备得到的多孔炭具有高比表面积，提高了超级电容器功率密度和循环稳定性，对推动能源结构的优化和环境的改善具有很大的现实意义。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
3、一种褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，包括以下步骤：
4、s1、将褐煤原煤粉末采用浓度为1-5mol/l的盐酸酸洗x2 h，并进行水洗、干燥；然后采用浓度为5-30wt％的氢氟酸酸洗x2 h，并进行水洗、干燥；再采用浓度为1-2mol/l的磷酸钙溶液加热脱氧，并进行水洗、干燥，得到预处理褐煤；
5、s2、将所述预处理褐煤与碱性活化剂、去离子水按照1：x4：5-10的质量比搅拌混合均匀，得混合料；
6、s3、将所述混合料在惰性气氛下进行活化，活化的温度为x1℃，活化的时间为x3 h；再随炉冷却至室温，得到焙烧产物；
7、s4、将所述焙烧产物进行稀盐酸酸洗、水洗、干燥，得到所述褐煤基超级电容器活性炭电极材料；
8、所述褐煤基超级电容器活性炭电极材料的比电容为y f/g，所述y与x1、x2、x3和x4拟合得出下列关系式：
9、y＝a+b·x1+c·x2+d·x3+e·x4–f·x1·x2+g·x1·x3+h·x1·x4+i·x2·x3+j·x2·x4+k·x3·x4
10、–l·x12–m·x22–n·x32–o·x42；
11、其中，-12498.70833≤a≤-8849.075，15.54675≤b≤24.2525，0≤c≤74.67875，
12、305.425≤d≤841.425，821.57333≤e≤1312.7，-0.001167≤f≤0.02375，
13、-0.109≤g≤0.243，-0.224≤h≤0.11，-0.81667≤i≤0.6125，-3.825≤j≤0.62917，
14、-49.5≤k≤0.2，0.01086≤l≤0.016075，0≤m≤0.80698，40.42≤n≤138.6，
15、42.17667≤o≤177.5；650≤x1≤900，20≤x2≤28，0.5≤x3≤3.5，2≤x4≤7.5。
16、该公式是通过一系列正交实验单因素实验作为前提，然后通过响应面实验方法模拟所得，用来预测给定因素的响应水平。
17、上述制备方法中，盐酸酸洗去除了褐煤中的无机矿物质，如硅、铝、铁等，提高了褐煤的燃烧效率；氢氟酸酸洗去除了褐煤中的有机杂质，如腐殖质、木质素等，从而进一步提高褐煤的纯度和反应活性；磷酸钙可以去除酸洗褐煤中的氧化物和氧元素杂质，改善材料的性能和稳定性，从而提高材料的导电性和反应活性；最终经过去离子水洗涤去除褐煤中的酸性物质和磷酸盐，以减少对后续处理设备的腐蚀，获得高纯度的无氧褐煤。
18、在预处理褐煤与碱性活化剂的混合过程中，去离子水作为溶剂可以促进反应物质之间的充分接触和混合，确保活化剂能够均匀地渗透到褐煤的每一个部分，从而提高反应效率；同时去离子水的加入量直接影响到活性炭的孔隙结构，适量的去离子水有助于形成更多的微孔和中孔，水量过多或过少都可能导致孔隙结构的不稳定。
19、上述工艺中，烧结温度设定在650-900℃之间，是基于褐煤中挥发分的热解和活化过程的最佳温度区间所进行设定的；在这个温度范围内，褐煤中的挥发分能够充分释放，形成丰富的孔隙结构，从而增加比表面积。当烧结温度低于650℃时，褐煤中的挥发分可能无法完全释放，导致孔隙结构不发达，并使比表面积较小；而烧结温度高于900℃时，过高的温度可能导致已经形成的孔本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为KOH、NaOH、K2CO3、Na2CO3中的一种。
3.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为KOH时，Y＝-12498.70833+24.2525X1+74.67875X2+505.95333X3+905.95X4–0.02375X1·X2+0.061X1·X3+0.11X1·X4+0.6125X2·X3–3.825X2·X4–34.9X3·X4–0.016075X12–0.80698X22–99.44667X32–82.04667X42，其中，700≤X1≤800，20≤X2≤28，1.5≤X3≤2.5，4.5≤X4≤5.5。
4.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为NaOH时，Y＝-12493.07+24.07743X1+2.29458X2+357.18667X3
5.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为K2CO3时，Y＝-8849.075+15.54675X1+841.425X3+1312.7X4+0.018X1·X3–0.059X1·X4–6.5X3·X4–0.01086X12–138.6X32–177.5X42，其中650≤X1≤750，X2＝24，2.5≤X3≤3.5，2≤X4≤4。
6.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为Na2CO3时，Y＝-11619.0675+22.80590X1+305.425X3+823.685X4–0.109X1·X3+0.017X1·X4+0.2X3·X4–0.013192X12–40.42X32–103.62X42，其中，800≤X1≤900，X2＝24h，2≤X3≤3，3.5≤X4≤4.5。
7.根据权利要求1所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述褐煤原煤粉末的制备方法包括以下步骤：将褐煤进行破碎、研磨、过筛，得到褐煤原煤粉末；所述褐煤为河北灵寿褐煤；所述褐煤的灰分含量为27-30％。
8.根据权利要求1所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述加热脱氧的加热温度为60-80℃，脱氧时间为20-28h。
9.根据权利要求1所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述惰性气体为氮气或氩气；并以2-5℃/min的升温速率升温至X1℃；
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备得到的褐煤基超级电容器活性炭电极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为koh、naoh、k2co3、na2co3中的一种。
3.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为koh时，y＝-12498.70833+24.2525x1+74.67875x2+505.95333x3+905.95x4–0.02375x1·x2+0.061x1·x3+0.11x1·x4+0.6125x2·x3–3.825x2·x4–34.9x3·x4–0.016075x12–0.80698x22–99.44667x32–82.04667x42，其中，700≤x1≤800，20≤x2≤28，1.5≤x3≤2.5，4.5≤x4≤5.5。
4.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱性活化剂为naoh时，y＝-12493.07+24.07743x1+2.29458x2+357.18667x3+821.57333x4+0.001167x1·x2+0.243x1·x3–0.224x1·x4–0.816667x2·x3+0.629167x2·x4–49.5x3·x4–0.014203x12–0.13876x22–82.67667x32–42.17667x42，其中，750≤x1≤850，20≤x2≤28，0.5≤x3≤1.5，6.5≤x4≤7.5。
5.根据权利要求2所述的褐煤基超级电容器活性炭电极材料的制备方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗绍华，王庆，田新茹，闫绳学，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：
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