一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳材料技术领域，尤其是涉及到活性炭材料的组合物及其制备方法，具体说是一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等优良特点。被电子行业优先而广泛使用。目前超级电容器的电极材料主要是采用碳材料和过渡金属氧化物而制得，其中碳材料仍是当前商业化超级电容器中使用最为普遍的电极材料。传统的碳材料由于其比容量低，已经无法满足超级电容器发展的要求。为满足超级电容器快速发展的需要，近年来，业界不断开发了一些新型碳材料，包括有序介孔炭、有序微孔炭、石墨烯、碳纳米管等等已经被合成并应用到新型超级电容器中。但是这些新型的碳材料生产工艺较复杂且生产成本高。为了降低制备成本，采用可再生的生物质为原料制备高性能碳电极材料将会是一种有效的办法，同时还能实现生物质的高附加值利用。此外，由于众多生物质自身含有氮、硫等元素，因而通过选择合适的生物质为原料，在碳材料中引入氣、硫等兀素，一方面可以提尚碳材料的导电性，另一方面掺杂的这些元素还能弓I入额外的赝电容，进一步提高碳材料的电容性能。
【发明内容】
[0003]本发明的发明目的是，针对上述现有技术的现状，提供一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭及其制备方法。在技术上主要解决两个方面的问题:一是选择氮硫共掺杂活性炭的组合物成份；二是采用该组合物制取氮硫共掺杂活性炭的制备方法。
[0004]本发明的技术解决方案之一是:
一种氮硫共掺杂活性炭，主要由下述组合物按其重量份数比配比，经炭化和活化工艺而制取；所述的组合物为:
大发梧桐科植物果实经炭化后粉状物 I 一 2份；
碱性活化剂I 一 4份；
作为上述技术方案的进一步优化:
所述的大发梧桐科植物果实为胖大海、梧桐果、油桐果中的一种或几种混合。
[0005]本发明的技术解决方案之二是:
一种采用上述组合物制取氮硫共掺杂活性炭的制备方法，包括如下工艺步骤:
O炭化:①浸泡:取大发梧桐科植物果实，置入容器内浸泡，使其浸泡成海绵状絮状物；②水热处理:去杂去核后，将海绵状絮状物置入反应釜中进行密闭水热处理5_12h，温度为180~220°C ;③离心滤水；④烘干；⑤研磨:得到粉状物；
2)活化:取上述I)中得到的粉状物I 一 2份，并取碱性活化剂I 一 4份，混合均匀后，放入管式炉中活化，活化过程为:①采用阶段式升温和保温:从室温升到200°C后保温30~60分钟；升到450°C后保温30~60分钟；升温到650°C保温30~120分钟；升温到750_1000°C保温60~120分钟；②缓慢降温，直到降到室温盐酸溶液浸泡:从活化炉中取出活化后物质，置入容器内，用0.5-2 mol/L浓度的盐酸溶液浸泡一定时间；④水洗:从容器内取出浸泡物，用去离子水对浸泡物水洗，使其PH值为中性；⑤烘干；烘干后即成为氮硫共掺杂活性炭。
[0006]作为上述技术方案的改进或优化:所述的碱性活化剂是指氢氧化钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钙、碳酸钙其中的一种或几种混合。
[0007]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1、通过本发明制备的活性炭材料的氮原子含量约为0.5~2%，硫原子含量约为0.2-1% ；比表面积大于1000 m2/g。
[0008]2、通过本发明制备的活性炭材料与聚四氟乙烯(PVDF)以质量比95比5混合后，用N-甲基吡咯烷酮调成浆料后均匀涂布到泡沫镍表面，80°C干燥12小时后将其作为工作电极、铂片为对电极、汞/氧化汞为参比电极，电解液为6 M的氢氧化钾溶液，采用三电极系统，测试电压范围_1~0V，测试仪器为上海晨华CHI 760E电化学工作站。当用作超电容电极材料在IA /g下恒电流下放电比容量大于200F/g，20A/g下恒电流充放电10 000次容量无明显衰减。
[0009]3、原料价廉易得。
[0010]4、本发明还具有:①制备过程简单制备的活性炭孔分布范围广、比表面积高；③具有高容量、循环性能好及充放电效率高等优点。
【附图说明】
[0011]图1:本发明一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭的X-射线光电子能谱图； 图2:本发明一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭的氮气等温吸附/脱附曲线及孔径分布曲线图；
图3:本发明一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭的循环伏安曲线图；
图4:本发明一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭的恒电流充放电曲线图；
图5:本发明一种用于超级电容器的氮硫共掺杂活性炭的恒电流放电循环图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步说明:
一种氮硫共掺杂活性炭，主要由下述组合物按其重量份数比配比，经炭化和活化工艺而制取；所述的组合物为:
大发梧桐科植物果实经炭化后粉状物I 一 2份；
碱性活化剂I 一 4份；
所述的大发梧桐科植物果实为胖大海、梧桐果、油桐果中的一种或几种混合。
[0013]一种采用上述组合物制取氮硫共掺杂活性炭的制备方法，包括如下工艺步骤:
O炭化:①取大发梧桐科植物果实，置入容器内浸泡，使其浸泡成海绵状絮状物；②水热处理:去杂去核后，将海绵状絮状物置入反应Il中密闭水热处理5-12h，温度为180~220°C;③离心滤水；从反应釜中取出水热处理后的含水泥状物进行离心滤水；④烘干:将滤水后的粒状物置入烘箱内进行烘干；⑤研磨:将烘干后粒状物进行研磨，得到粉状物； 2)活化:取上述I)中得到的粉状物I 一 2份，并取碱性活化剂I 一 4份，混合均匀后，放入管式炉中活化，活化过程为:①采用阶段式升温和保温:从室温升到200°C后保温30~60分钟；升到450°C后保温30~60分钟；升温到650°C保温30~120分钟；升温到750_1000°C保温60~120分钟；②缓慢降温，直到降到室温盐酸溶液浸泡:从活化炉中取出活化后物质，置入容器内，用0.5-2 mol/L浓度的盐酸溶液浸泡12小时；④水洗:从容器内取出浸泡物，用去离子水对浸泡物水洗，使其PH值为中性；⑤烘干；即制得氮硫共掺杂活性炭材料。所述的碱性活化剂是指氢氧化钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钙、碳酸钙其中的一种或几种混合。
[0014]实施例1
一种采用上述组合物制取氮硫共掺杂活性炭的制备方法，包括如下工艺步骤:
O炭化:①取干燥成熟的胖大海果实，置入容器内浸泡，使其浸泡成海绵状絮状物水热处理:去杂去核后，将海绵状絮状物置入反应釜中密闭水热处理12h，温度为180°C离心滤水；从反应釜中取出水热处理后的含水泥状物进行离心滤水；④烘干:将滤水后的粒状物置入80°C烘箱内进行烘，时间为12h ;⑤研磨:将烘干后粒状物进行研磨，得到粉状物；
2)活化:按重量份数比，取上述I)中得到的粉状物I份，并取碱性活化剂I份，混合均匀后，放入管式炉中活化，活化过程为:①采用阶段式升温和保温:以5°C /分钟的升温速率，从室温升到200°C后保温60分钟；升到450°C后保温360分钟；升温到650°C保温120分钟；升温到800°C保温120分钟；②缓慢降温，直到降到室温盐酸溶液浸泡:从活化炉中取出活化后物质，置入容器内，用I mol/L L浓度的盐酸溶液浸泡12小时；④水洗??从容器内取出浸泡物，用去离子水对浸泡物水洗，使其pH值为中性；⑤再在80°C烘箱内烘干12h，即制得氮硫共掺杂活性炭材料。
[0015]本实施例得到的活性炭在lA/g下恒电流下放电比容量为215 F/go
[0016]实施例2
O炭化:①取干燥成熟的梧桐果实，置入容器内浸泡，使其浸泡成海绵状絮状物；②水热处理:去杂去核后，将海绵状絮状物置入反应釜中密闭水热处理12h，温度为180°C离心滤水；从反应釜中取出水热处理后的含水泥状物进行离心滤水；④烘干:将滤水后的粒状物置入80°C烘箱内进行烘，时间为12h ;⑤研磨:将烘干后粒状物进行研磨，得到粉状物；
2)活化:按重量份数比，取上述I)中得到的粉状物I份，并取碳酸钾2份，混合均匀后，放入管式炉中活化，活化过程为:①采用阶段式升温和保温:以2°C /分钟的升温速率，从室温升到20(TC后保温60分钟；升到450°C后保温60分钟；升温到650°C保温120分钟；升温到800°C保温120分钟；②缓慢降温，直到降到室温盐酸溶液浸泡:从活化炉中取出活化后物质，置入容器内，用I mol/L浓度的盐酸溶液浸泡12小时；④水洗:从容器内取出浸泡物，用去离子水对浸泡物水洗，使其PH值为中性；⑤再在80°C烘箱内烘干12h，即制得氮硫共掺杂活性炭材料。
[0017]本实施例取得的活性炭在IA/ g下恒电流下放电比容量为245 F/g。
[0018]实施例3
O炭化:①取干燥成熟的油桐果实，置入容器内浸泡，使其浸泡成海绵状絮状物；②水热处理:去杂去核后，将海绵状絮状物置入反应釜中密闭水热处理12h，温度为180°C离心滤水；从反应釜中取出水热处理后的含水泥状物进行离心滤水；④烘干:将滤水后的粒状物置入80°C烘箱内进行烘，时间为12h ;⑤研磨:将烘干后粒状物进行研磨，得到粉状物；
2)活化:按重量份数比，取上述I)中得到的粉状物I份，并取碳酸钾I份，氢氧化钾I份，混合均匀后，放入管式炉中活化，活化过程为:①采用阶段式升温和保温:以:TC /分钟的升温速率，从室温升到200°C后保温60分钟；升到450°C后保温60分钟；升温到650