一种多孔活性炭/铜离子超级电容器的制备方法_2

文档序号:9845254阅读:来源:国知局
.9,在温度为150?300 °C下水热处理2?36h之后冷却到室温,将水热产物洗涤与抽滤至中性,然后在80?120 °C温度下真空干燥至恒重,即得到水热碳焦;
[0027](2)将碱金属的碳酸盐或酸式碳酸盐配成浓度为0.2?6.0mol/L的溶液,再将步骤
(I)所得水热碳焦按与碱金属的碳酸盐或酸式碳酸盐0.5?5.0的质量比加入其中,然后在室温下混合搅拌I?20h,再将其中的水分蒸干至恒重,得到掺和了碱金属的碳酸盐或酸式碳酸盐活化剂的水热碳焦混合物;
[0028](3)将步骤(2)所得混合物置于高温炉中,在500?1300°C的恒温气氛中进行0.5?1h的碳化与活化处理后随炉冷却到室温,取出样品后分别采用0.01?2.0mol/L的盐酸和蒸馏水将样品洗涤抽滤至中性,最后将其在温度为80?120 0C的真空干燥箱中干燥至恒重,制备出碱金属碳酸盐或酸式碳酸盐活化的第一段活性炭材料;
[0029]所述步骤(3)的气氛是指氮气、氩气、二氧化碳气中的一种或两种以上的混合物,其中单一气体的纯度大于等于99.9%,混合气体的流量为5?500ml/min。
[0030](4)将步骤(3)所得的第一段活性炭材料置于高温炉中,在200?500°C的恒温气氛中进行0.3?6h的第二段活化处理后随炉冷却到室温,得到多孔活性炭;
[0031]所述步骤(4)的气氛是是指氮气、氩气、二氧化碳气、氧气、氨气中的二种或以上的气体混合物,气体混合物中至少一种为氧气或氨气,氧气或氨气在混合气体中的体积百分数为0.5%?23%;单一气体的纯度大于等于99.9%,混合气体的流量为5?5001111/1^11。
[0032]进一步地,所述的预处理包括如下步骤:I)采用食用植物果实加工后的残渣为原料,在80?120°C下干燥5?24h后用打粉机粉碎,再进行80?200目的筛分,获得筛下物;
[0033]2)将筛下物用0.05?5.0mol/L浓度的酸(包括无机酸或有机酸)、液/固比为0.5?
10、温度为20?60 °C、搅拌时间为0.5?1h对原料进行酸处理,再用去离子水洗涤抽滤至pH值为中性,将处理后的样品放入温度为80?120°C的真空干燥箱中干燥至恒重;或者将筛下物用浓度为0.02?5.0mol/L的碱(包括无机碱或有机碱)、液/固比为0.5?10、温度为20?60°C、搅拌时间为I?12h对原料进行碱处理,再用去离子水洗涤抽滤至pH值为中性,将处理后的样品放入温度为80?120 0C的真空干燥箱中干燥至恒重。
[0034]进一步地,所述的食用植物果实加工后的残渣为豆腐渣、红薯粉渣、芝麻油渣、花生油渣、菜籽油渣、豆油渣、玉米油渣、葵花籽油渣中的一种或两种以上。
[0035]采用TriStarII 3020型比表面积和孔径分布仪对本发明所制备的多孔活性炭材料进行测试,其比表面积为500?3000m2/g,孔径为0.5?50nm。采用JE0LJEM-3010型扫描电子显微镜对所制备材料进行微观形貌及大小的测试,其微观尺寸为30?lOOOnm。采用D/MAX-3C型粉末X-射线衍射仪对所制备的材料进行晶相结构的测试,测试结果为无定形的碳。
[0036]多孔活性炭/铜离子超级电容器的电化学性能测试:采用上海辰华公司生产的CHI660A电化学工作站、深圳市新威尔电子有限公司生产的BTS-3000电池测试仪对所构造的超级电器进行循环伏安、交流阻抗、恒流充放电、循环寿命、电流倍率性能等测试。
[0037]本发明的有益效果在于:
[0038](I)本发明制备的多孔活性炭电极材料是以食用植物果实加工后的残渣为原料,属于绿色可再生资源、来源丰富、成本低廉、制备过程环境友好。
[0039](2)本发明将多孔活性炭电极形成的双电层电容与电解液中铜离子的氧化还原产生的法拉第电容实现协同叠加,将超级电容器的比电容提高了一倍以上。更进一步,本发明所构造的多孔活性炭/铜离子超级电容器具有循环稳定性强、可逆性好、充放电效率高、倍率特性佳、使用安全、寿命长等优点,实现了超级电容器能量密度、功率密度及性价比的提升。
【附图说明】
[0040]图1、图2、图3分别为实施例1、实施例2、实施例3所制备活性炭材料的扫描电子显微镜图。
[0041 ]图4a、b、c分别为实施例1、实施例2、实施例3所制备多孔活性炭材料的孔径分布图。
[0042]图5a、b分别为实施例1、实施例2所制备活性炭材料的X射线衍射图。
[0043]图6为对实施例1中多孔活性炭/铜离子超级电容器的循环伏安测试图,扫描速率为5mV/s0
[0044]图7为实施例2中多孔活性炭/铜离子超级电容器的充放电测试图,电流密度为I?20A/go
[0045]图8为实施例3中多孔活性炭/铜离子超级电容器的交流阻抗测试图。
[0046]图9为实施例1中多孔活性炭/铜离子超级电容器的循环寿命测试图,充放电的电流密度为lA/g。
[0047]图10a、b、c分别为实施例1、实施例2、实施例3中多孔活性炭/铜离子超级电容器的能量密度与功率密度性能测试图。
【具体实施方式】
[0048]下面以具体实施例进一步说明本发明,但本发明并不局限于实施例。
[0049]实施例1
[0050](I)将湿豆腐渣在100°C下热风干燥24h后进行粉碎、再通过100目的筛分,获得筛下物。
[0051 ] (2)采用I.0mol/L浓度的盐酸、液/固比为8、温度为50 V、搅拌时间为4h对步骤(I)获得的原料进行酸处理,再用去离子水洗涤抽滤至PH值为中性,将处理后的样品放入温度为100°C的真空干燥箱中干燥至恒重。
[0052](3)在步骤(2)获得的原料中加入蒸馏水配成液/固比为6的混合物,并将此混合物转移到内胆为聚四氟乙烯的高压水热反应釜中,其体积填充率为0.6,在温度为200°C下水热处理12h之后冷却到室温,将水热产物洗涤与抽滤至中性,然后在100°C温度下真空干燥至恒重,即得到水热碳焦。
[0053](4)将碳酸钾配成2.0mol/L浓度的溶液,再将步骤(3)所制得的水热碳焦按照与碳酸钾的质量比为2.0加入其中,然后在室温下混合搅拌5h,再将其中的水份蒸干至恒重,制备出均匀掺和了碳酸钾活化剂的水热碳焦混合物。
[0054](5)将步骤(4)制备的混合物置于高温炉中,在纯氮气的流量为200ml/min的环境中850°C恒温4h进行碳化与活化处理后、随炉冷却到室温,取出样品后分别采用0.5mol/L的盐酸和蒸馏水将样品洗涤抽滤至中性,最后将其在温度为10tC的真空干燥箱中干燥至恒重,制备出碳酸钾活化的第一段活性炭材料。
[0055](6)将步骤(5)制备的第一段活性炭材料置于高温炉中,用含氧气5%和氮气95%(体积百分数)的混合气体环境、混合气体的流量为100ml/min,在420°C温度下进行恒温气氛处理2h,制备出多孔活性炭电极材料。
[0056](7)采用JE0LJEM-3010型扫描电子显微镜对实施例1所制备的多孔活性炭材料进行测试,其结果如图1所示,所制备活性炭材料具有互联的多孔结构,且具有较薄的孔壁,孔壁厚度在7-10nm范围内。
[0057](8)采用TriStar II 3020型比表面积和孔径分布仪对实施例1所制备的多孔活性炭材料进行测试,其结果如图4a所示,所制备的多孔活性炭材料的孔径主要分布在微孔范围,同时还有大量的大孔和少量的介孔。比表面积为2905m2/g,其中微孔面积为2613m2/g,其余面积由大孔和介孔面积组成,平均孔径为1.Snm.
[0058](9)采用XRD-6000型X-射线衍射仪对实施例1所制备的多孔活性炭材料进行测试,如图5a所示,在2Θ = 23.6°,43.7°处两个峰对应着石墨晶体的(002)和(100)特征峰,宽而弱的(002)峰和极弱的(100)峰说明所制备的多孔活性炭材料为无定形碳。
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