一种碳化钛包覆秸秆基活性炭复合电极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学能源材料领域，特别是一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]气候变暖、环境污染和能源短缺是当前人类面临的重大挑战，研制绿色、可再生的能源存储器件是摆在人类面前的重要课题。超级电容器作为一种新型绿色能源存储器件，具有比传统电容器大得多的能量密度和比电池高得多的功率密度，在交通、移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域具有极其广阔的应用前景。根据储能机理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器或者氧化还原电容器。双电层电容器靠电极和电解液界面的双电层来存储电荷，其电极材料主要为高比表面积的炭材料。赝电容器靠电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来存储电荷，对应的电极材料有过渡金属氧化物和导电聚合物。导电聚合物具有价格低廉、电导率高的优点，但由其制备的电极材料循环寿命低。对双电层电容器而言，其电容值正比于电极/电解液的界面，因此电极的性能受到炭材料表面积的限制，而且并不是所有的孔都对比电容有作用，只有电解液可到达的表面对电容的提高有作用，但总的来说，由于受比表面积的限制，炭材料的比电容值仍相对较低。除了进一步提高比表面积的手段外，对炭材料进行异相掺杂，引入其他导电材料，可以赋予炭材料兼具赝电容的性能，提高超级电容器的导电性能。
[0003]聚苯胺具有良好的导电性和快速可逆的氧化还原特性，且原料廉价易得，近年来在能量存贮领域受到人们的广泛关注。聚苯胺本身是绝缘性，经掺杂后才具有导电性，而且它主要掺杂点是亚胺氮原子。质子携带的正电荷经分子链内部的电荷转移，沿分子链产生周期性的分布。且苯二胺和醌二亚胺必须同时存在才能保证有效的质子酸掺杂。质子掺杂是聚苯胺由绝缘态转变为金属态的关键。不同的合成方式对聚苯胺的导电性和稳定性影响很大，本发明在合成聚苯胺的同时掺杂二氧化硅和蒙脱土，增强了聚苯胺的稳定性、导电性，并且产物粒径均匀，而且都在纳米级别，从而使产物具有了纳米效应。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料及其制备方法。
[0005]为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施:
一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料，由下列重量份的原料制成:硝酸锡
2-3、二氧化硅1-2、乙酸锂2-3、氯铱酸铵1-2、三氟化铬1_2、氟化银1_2、硅烷偶联剂KH-5501-2、碳化钛3-5、聚苯胺复合材料3_5、秸杆1000-1200、无水氢氧化钾3_5、去离子水5-10 ；
所述聚苯胺复合材料是由下列重量份的原料制成:对甲苯磺酸4-6、盐酸6-8、纳米二氧化硅3-5、蒙脱土 2-4、苯胺8-12、过硫酸铵0.4-0.7、去离子水30-50 ;制备方法是将对甲苯磺酸加到4-6mol/l的盐酸溶液中，搅拌均匀形成混合溶液，再将纳米二氧化硅、蒙脱土加到混合溶液中超声分散30-50分钟，再加入对甲苯磺酸质量0.5-2倍的苯胺单体，冰水浴下搅拌1-2小时形成均匀乳液，再将过硫酸铵缓慢滴加到乳液中，继续搅拌反应3-4小时，减压抽滤，固体沉淀依次用去离子水和对甲苯磺酸洗涤成中性，80-90° C下真空干燥8-12小时，即可得到聚苯胺复合材料。
[0006]本发明所述一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料，由以下具体的步骤制成:
Cl)将秸杆清洗干净后烘干，水分控制在20-25%左右，隔绝空气经过6-8小时常温物理炭化堆积得到生物质炭，再将该生物质炭粉碎成颗粒，加到沸腾炉中，通入预先预热至300-400° C的水蒸气和二氧化碳混合气体，在800-1000° C下进行氧化反应1_2小时，取出后加到熔融的无水氢氧化钾中，得到高比表面积活性炭备用；
(2)将硅烷偶联剂KH-550加到乙醇的水溶液中，搅拌溶解后加入步骤(I)的产物和除碳化钛外的其他剩余成分，在80-100° C下加热搅拌，干燥后通入纯氨气，于500-600° C下保温50-100分钟，然后迅速冷却至室温后粉碎至200-400目粉末备用；
(3)将碳化钛加热至熔融状态与步骤(2)的产物混合均匀即可。
[0007]本发明的优点是:本发明的聚苯胺复合材料具有价格便宜、电荷密度高等的优点，添加到电极材料中能够提高导电性和储电性能；碳化钛具有高硬度、耐磨损和高导电的作用，添加到电极材料中有效的增强了电极材料的表面利用率、降低电阻、提高比电容量。
[0008]具体实施方案
下面通过具体实例对本发明进行详细说明。
[0009]一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料，由下列重量份(公斤)的原料制成:硝酸锡3、二氧化硅1、乙酸锂3、氯铱酸铵1、三氟化铬1、氟化银1、硅烷偶联剂KH-5501、碳化钛4、聚苯胺复合材料5、秸杆1200、无水氢氧化钾4、去离子水10 ；
所述聚苯胺复合材料是由下列重量份(公斤)的原料制成:对甲苯磺酸5、盐酸7、纳米二氧化硅5、蒙脱土 3、苯胺10、过硫酸铵0.4、去离子水35 ;制备方法是将对甲苯磺酸加到4-6mol/l的盐酸溶液中，搅拌均匀形成混合溶液，再将纳米二氧化硅、蒙脱土加到混合溶液中超声分散30-50分钟，再加入对甲苯磺酸质量0.5-2倍的苯胺单体，冰水浴下搅拌1-2小时形成均匀乳液，再将过硫酸铵缓慢滴加到乳液中，继续搅拌反应3-4小时，减压抽滤，固体沉淀依次用去离子水和对甲苯磺酸洗涤成中性，80-90° C下真空干燥8-12小时，即可得到聚苯胺复合材料。
[0010]本发明所述一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料，由以下具体的步骤制成:
(1)将秸杆清洗干净后烘干，水分控制在20-25%左右，隔绝空气经过6-8小时常温物理炭化堆积得到生物质炭，再将该生物质炭粉碎成颗粒，加到沸腾炉中，通入预先预热至300-400° C的水蒸气和二氧化碳混合气体，在800-1000° C下进行氧化反应1_2小时，取出后加到熔融的无水氢氧化钾中，得到高比表面积活性炭备用；
(2)将硅烷偶联剂KH-550加到乙醇的水溶液中，搅拌溶解后加入步骤(I)的产物和除碳化钛外的其他剩余成分，在80-100° C下加热搅拌，干燥后通入纯氨气，于500-600° C下保温50-100分钟，然后迅速冷却至室温后粉碎至200-400目粉末备用；
(3)将碳化钛加热至熔融状态与步骤(2)的产物混合均匀即可。
[0011]将电极材料和导电剂、粘结剂按照比例混合均匀，通过压辊机制成薄片，干燥后压在不锈钢网集流体上，制成超级电容器，其参比电极为Ag/AgCl电极，电解液为lmol/1的硫酸溶液，在-0.2V至0.8V的电压范围内进行恒流充放电测试，电流为0.2A/g时，比电容为238F/g，电流为ΙΟΑ/g时，比电容为156F/g。
【主权项】
1.一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料，其特征在于，由下列重量份的原料制成:硝酸锡2-3、二氧化硅1-2、乙酸锂2-3、氯铱酸铵1-2、三氟化铬1_2、氟化银1_2、硅烷偶联剂KH-5501-2、碳化钛3-5、聚苯胺复合材料3-5、秸杆1000-1200、无水氢氧化钾3-5、去离子水5-10 ； 所述聚苯胺复合材料是由下列重量份的原料制成:对甲苯磺酸4-6、盐酸6-8、纳米二氧化硅3-5、蒙脱土 2-4、苯胺8-12、过硫酸铵0.4-0.7、去离子水30-50 ;制备方法是将对甲苯磺酸加到4-6mol/l的盐酸溶液中，搅拌均匀形成混合溶液，再将纳米二氧化硅、蒙脱土加到混合溶液中超声分散30-50分钟，再加入对甲苯磺酸质量0.5-2倍的苯胺单体，冰水浴下搅拌1-2小时形成均匀乳液，再将过硫酸铵缓慢滴加到乳液中，继续搅拌反应3-4小时，减压抽滤，固体沉淀依次用去离子水和对甲苯磺酸洗涤成中性，80-90° C下真空干燥8-12小时，即可得到聚苯胺复合材料。
2.根据权利要求1所述一种碳化钛包覆秸杆基活性炭复合电极材料，其特征在于，由以下具体的步骤制成: Cl)将秸杆清洗干净后烘干，水分控制在20-25%左右，隔绝空气经过6-8小时常温物理炭化堆积得到生物质炭，再将该生物质炭粉碎成颗粒，加到沸腾炉中，通入预先预热至300-400° C的水蒸气和二氧化碳混合气体，在800-1000° C下进行氧化反应1_2小时，取出后加到熔融的无水氢氧化钾中，得到高比表面积活性炭备用； (2)将硅烷偶联剂KH-550加到乙醇的水溶液中，搅拌溶解后加入步骤(I)的产物和除碳化钛外的其他剩余成分，在80-100° C下加热搅拌，干燥后通入纯氨气，于500-600° C下保温50-100分钟，然后迅速冷却至室温后粉碎至200-400目粉末备用； (3)将碳化钛加热至熔融状态与步骤(2)的产物混合均匀即可。
【专利摘要】本发明公开了一种碳化钛包覆秸秆基活性炭复合电极材料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：硝酸锡2-3、二氧化硅1-2、乙酸锂2-3、氯铱酸铵1-2、三氟化铬1-2、氟化银1-2、硅烷偶联剂KH-5501-2、碳化钛3-5、聚苯胺复合材料3-5、秸秆1000-1200、无水氢氧化钾3-5、去离子水5-10；本发明的聚苯胺复合材料具有价格便宜、电荷密度高等的优点，添加到电极材料中能够提高导电性和储电性能；碳化钛具有高硬度、耐磨损和高导电的作用，添加到电极材料中有效的增强了电极材料的表面利用率、降低电阻、提高比电容量。
【IPC分类】H01G11-48, H01G11-44, H01G11-86
【公开号】CN104779073
【申请号】CN201510157617
【发明人】周池莲, 鲍启兵, 万美云
【申请人】安徽江威精密制造有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月3日