一种利用食用菌培养基废弃物制备超级电容器多孔碳电极材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用食用菌培养基废弃物制备超级电容器多孔碳电极材料的方法，它包括前处理、碳化、活化、酸洗等步骤，本发明利用食用菌培养基废弃物中的有机物作为碳源制备超级电容器碳电极材料，实现了变废为宝，提高了资源利用率，材料的比表面积高，孔径均匀，大小一致，显示出较高的比电容和良好的电化学性能。
【专利说明】
-种利用食用菌培养基废弃物制备超级电容器多孔碳电极材 料的方法
技术领域
[0001] 本发明设及超级电容器碳电极材料的制备方法，本发明还设及一种超级电容器工 作电极。
【背景技术】
[0002] 超级电容器作为一种新型的电化学储能器件，具有存储能量大、质量轻、可循环次 数长、免维护等优异特征。超级电容器的综合性能与电极材料密切相关，目前，商业化超级 电容器电极材料主要集中于碳材料，该材料具有优异的电导性、较高的理论表面积，化学稳 定性好、孔径容易调控等优点。
[0003] 超级电容器产业属于能源密集型，其生产还是一个不可再生的过程。因此，改进电 极材料，实现生产的可再生化，具有非常重要的意义。在寻找可再生的超级电容器碳电极材 料的过程中，来源广泛，价格低廉的生物质材料引起了科研人员的广泛兴趣，近年来，多种 生物质材料已被用于制备碳电极，但是目前还没有用食用菌培养基废弃物制备超级电容器 碳电极材料的报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是利用食用菌培养基废弃物为原料，制备多孔碳电极材料并将其应 用于超级电容器工作电极。
[0005] 本发明提供的超级电容器多孔碳电极材料的制备方法如下：
[0006] 1)前处理:将食用菌培养基废弃物先用稀盐酸浸泡5~20h之后用水清洗至中性， 再用丙酬浸泡5~20h，之后依次用水和无水乙醇分别洗涂3-4次，最后放于烘箱烘干；
[0007] 2)碳化:将烘干后的食用菌培养基废弃物置于管式炉中，在氣气氛围下W2~6TV min的速率升溫到500~700°C，并恒溫碳化0.5~化，待溫度降到室溫后取出碳化产物；
[0008] 3)活化:将碳化产物与KO田安1:2~6的质量比混合并研磨至均匀的粉末，然后置于 管式炉中，在氣气氛围下W2~6°C/min的速率升溫到700~800°C，并恒溫活化1~化，待溫 度降到室溫后取出活化产物；
[0009] 4)酸洗:将活化产物先用稀盐酸洗涂，再用水洗至中性，最后将其置于鼓风干燥箱 中干燥，即得到超级电容器多孔碳电极材料。
[0010] 优选地，步骤2)中，所述的升溫速率为：rC/min，碳化溫度为700°C，碳化时间为化。
[0011] 优选地，步骤3)中，所述碳化产物与KOH的质量比为1: 4。
[001^ 优选地，步骤3)中，所述的升溫速率为rC/min，活化溫度为750°C，活化时间为3h。
[0013] 本发明进一步提供一种超级电容器工作电极，该电极由超级电容器多孔碳电极材 料、导电剂、粘结剂组成，所述超级电容器多孔碳电极材料是按照上述的方法制备的。
[0014] 优选地，所述导电剂为Super P、粘结剂为PTFE(聚四氣乙締），所述超级电容器多 孔碳电极材料:导电剂:粘结剂的质量比为8:1:1。
[0015] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0016] 1)由于食用菌培养基废弃物中富含有机物，因此可作为碳源制备超级电容器电极 碳材料，从而变废为宝，提高了资源利用率；
[0017] 2)步骤简单，原材料来源广泛，易于实现工业化，重复性好；
[0018] 3)本发明制备的超级电容器电极碳材料具有多孔结构，材料的比表面积高达 3439mYi，而且孔径均匀，大小一致，显示出较高的比电容和良好的电化学性能。
【附图说明】
[0019] 图1是S电极体系下测试的循环伏安曲线图（1M出S化为电解液）。
[0020] 图2是S电极体系下测试的循环伏安曲线图（6M KOH为电解液）。
【具体实施方式】
[0021] 实施例1
[0022] 1.超级电容器多孔碳电极材料的制备
[0023] 1)前处理:将食用菌培养基废弃物先用质量分数为10%的稀盐酸浸泡1化除去杂 质（主要是碳酸巧杂质），然后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡12h，之后依次用水和无 水乙醇分别洗涂4次，最后置于70°C烘箱干燥2地；
[0024] 2)碳化:取烘干后的食用菌培养基废弃物置于管式炉中，在氣气氛围下WStVmin 的速率升溫到500°C，并恒溫碳化化，之后待管式炉的溫度降到室溫后取出碳化产物；
[0025] 3)活化:取碳化产物与KO田安1:4的质量比混合，并研磨至均匀的粉末，然后将其置 于管式炉中，在氣气氛围下W5°C/min的速率升溫到700°C和800°C，分别在700°C和800°C下 般烧化、2h、化，待溫度降到室溫后即可取出活化产物；
[0026] 4)酸洗:将活化产物先用质量分数为10%的稀盐酸洗涂，除去样品中多余的碱性 物质化OH)，再用水洗至中性，最后将其置于80°C鼓风干燥箱中干燥，即得到超级电容器多 孔碳电极材料。
[0027] 2.超级电容器工作电极的制备
[00%]取制备的多孔碳电极材料、导电剂(Super P)、粘结剂(PTFE)，按质量比为8:1:1混 合，加入适量的乙醇后用研鉢混合均匀并调制成浆状，将制成的匀浆滴在不诱钢网和泡沫 儀上(不诱钢网制备的电极片用于出S化电解液中测试，泡沫儀制备的电极片用于KOH电解液 中测试），然后转移至真空干燥箱中80°C干燥12h，最后取出电极片，称重后备用。
[0029] 3.样品测试
[0030] 制得的工作电极采用S电极体系测试，W销片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，通 过恒电流充放电测试比电容(F/g)数据。其中不诱钢网电极片用于出SO油解液中，泡沫儀电 极片用于KOH电解液中。所有的电化学测试均在辰华CHI660E(中国，上海）电化学工作站中 进行。
[0031] S电极体系下测试的循环伏安曲线（1M此S化电解液)说明：1.循环伏安曲线显示 出类矩形形状，表现出典型的双电层电容特性，甚至在大扫速500mV/s仍保持类似矩形的曲 线，说明该材料具有很好的倍率性能。2.曲线中均发现了一对明显的氧化还原峰，表明材料 充放电过程中发生了法拉第氧化还原反应而产生了歴电容，从而提高了比电容。
[0032] S电极体系下测试的循环伏安曲线(6M KOH电解液)说明：循环伏安曲线显示出类 矩形形状，表现出典型的双电层电容特性，当扫速增加到200mV/s时仍保持类似矩形的曲线 图，运一结果表明该材料不仅仅在酸性体系中表现出良好的倍率性能，在碱性体系中同样 也具有良好的倍率性能。
[0033] 表1实施例1多孔碳材料在IM出S化电解液中的比电容
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[0038] 从W上数据可W看出，本发明制备的超级电容器材料具有较高的比电容，其中在 700°C活化化的多孔碳材料的比电容较高。
[0039] 实施例2
[0040] I.超级电容器多孔碳电极材料的制备
[0041] 1)前处理:将食用菌培养基废弃物先用质量分数为10%稀盐酸浸泡1化除去杂质， 然后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡12h，之后依次用水和无水乙醇分别洗涂4次，最后 置于70°C烘箱干燥24h;
[0042] 2)碳化:取烘干后的食用菌培养基废弃物置于管式炉中，在氣气氛围下W3°C/min 的速率升溫到700°C并恒溫碳化化，待溫度降到室溫后取出碳化产物；
[0043] 3)活化:取碳化产物与KO田安1:4的质量比混合，并研磨至均匀的粉末，然后将其置 于管式炉中，在氣气氛围下W3°C/min的速率升溫到750°C，并恒溫般烧化，待溫度降到室溫 后取出活化产物；
[0044] 4)酸洗:将活化产物用质量分数为10%的稀盐酸洗涂，然后用水洗涂至溶液pH为 中性，最后将其置于80°C鼓风干燥箱中干燥，即得到多孔碳电极材料。
[0045] 2.超级电容器工作电极的制备
[0046] 与实施例1相同。
[0047] 3.样品测试
[004引与实施例1相同，结果见表3。
[0049]表3实施例2多孔碳材料的比电容
[(K)加 ]
[0化1] 实施例3
[0052] 1.超级电容器多孔碳电极材料的制备
[0053] 1)前处理：将食用菌培养基废弃物先用质量分数为5%稀盐酸浸泡20h除去杂质 (主要是碳酸巧杂质），然后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡化，之后依次用水和无水乙 醇分别洗涂4次，最后置于70°C烘箱干燥24h;
[0054] 2)碳化:取烘干后的食用菌培养基废弃物置于管式炉中，在氣气氛围下W6°C/min 的速率升溫到700°C，并恒溫碳化0.化，待溫度降到室溫后取出碳化产物；
[0055] 3)活化:取碳化产物与KOH按1:2的质量比混合并研磨成均匀的粉末，然后将其置 于管式炉中，在氣气氛围下W2°C/min的速率升溫到700°C，并恒溫般烧化，待溫度降到室溫 后取出；
[0056] 4)酸洗:将活化产物用质量分数为10%的稀盐酸洗涂，然后用水洗涂至溶液pH为 中性，最后将其置于80°C鼓风干燥箱中干燥，即得到多孔碳电极材料。
[0057] 2.超级电容器工作电极的制备
[005引取制得的多孔碳电极材料、导电剂(Super P)、粘结剂(PTFE)，按质量比为8:2:2混 合，加入适量的乙醇后用研鉢混合均匀并调制成浆状，将制成的匀浆滴在不诱钢网和泡沫 儀上(不诱钢网制备的电极片用于出S化电解液中测试，泡沫儀制备的电极片用于KOH电解液 中测试），然后转移至真空干燥箱中80°C干燥12h，最后取出电极片，称重后备用。
[0059] 3.样品测试
[0060] 与实施例1相同，结果见表4。
[0061 ] 夫4违脯例3《孔碳材魁的比由怒
[0062]
[0063] 实施例4
[0064] 1.超级电容器多孔碳电极材料的制备
[0065] 1)前处理:将食用菌培养基废弃物先用质量分数为1%稀盐酸浸泡化除去杂质，然 后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡20h，之后依次用水和无水乙醇分别洗涂4次，最后置 于70°C烘箱干燥24h;
[0066] 2)碳化:将烘干后的食用菌培养基废弃物置于管式炉中，在氣气氛围下W2°C/min 的速率升溫到500°C并恒溫碳化化，待溫度降到室溫后取出；
[0067] 3)活化:取碳化产物与KOH按1:6的质量比混合并研磨成均匀的粉末，然后置于管 式炉中，氣气氛围下W6°C/min的速率升溫到800°C，并恒溫活化化，待溫度降到室溫后取 出；
[0068] 4)酸洗:将活化产物用质量分数为10%的稀盐酸洗涂，然后用水洗至中性，最后置 于80°C鼓风干燥箱中干燥，即得到多孔碳电极材料。
[0069] 2.超级电容器工作电极的制备
[0070] 取超级电容器多孔碳电极材料、导电剂（Super P)、粘结剂(PTFE)，按质量比为8: 0.5:0.5混合，加入适量的乙醇后用研鉢混合均匀并调制成浆状，将制成的匀浆滴在不诱钢 网和泡沫儀上（不诱钢网制备的电极片用于此S化电解液中测试，泡沫儀制备的电极片用于 KOH电解液中测试），然后转移至真空干燥箱中80°C干燥12h，最后取出电极片，称重后备用。 [OOW 3.样品测试
[0072] 与实施例1相同，结果见表5。
[0073] 表5实施例4多孔碳材料的比电容
[0074]
【主权项】
1. 一种利用食用菌培养基废弃物制备超级电容器多孔碳电极材料的方法，其特征在于 包括以下步骤： 1) 前处理:将食用菌培养基废弃物先用稀盐酸浸泡5~20h之后用水清洗至中性，再用 丙酮浸泡5~20h，之后依次用水和无水乙醇分别洗涤3-4次，最后放于烘箱烘干； 2) 碳化:将烘干后的食用菌培养基废弃物置于管式炉中，在氩气氛围下以2~6°C/min 的速率升温到500~700 °C，并恒温碳化0.5~5h，待温度降到室温后取出碳化产物； 3) 活化:将碳化产物与KOH按1:2~6的质量比混合并研磨至均匀的粉末，然后置于管式 炉中，在氩气氛围下以2~6°C/min的速率升温到700~800°C，并恒温活化1~3h，待温度降 到室温后取出活化产物； 4) 酸洗:将活化产物先用稀盐酸洗涤，再用水洗至中性，最后将其置于鼓风干燥箱中干 燥，即得到超级电容器多孔碳电极材料。2. 如权利要求1所述的制备超级电容器多孔碳电极材料的方法，其特征在于：步骤2) 中，所述碳化的升温速率为3°C/min，碳化温度为700°C，碳化时间为lh。3. 如权利要求1所述的制备超级电容器多孔碳电极材料的方法，其特征在于：步骤3) 中，所述碳化产物与KOH的质量比为1:4。4. 如权利要求1所述的制备超级电容器多孔碳电极材料的方法，其特征在于：步骤3) 中，所述活化的升温速率为3°C/min，活化温度为750°C，活化时间为3h。5. -种超级电容器工作电极，由超级电容器多孔碳电极材料、导电剂、粘结剂组成，其 特征在于:所述超级电容器多孔碳电极材料是按照权利要求1~4任何一项所述的方法制备 的。6. 如权利要求5所述的超级电容器工作电极，其特征在于:所述导电剂为Super P、粘结 剂为PTFE，所述超级电容器多孔碳电极材料:导电剂:粘结剂的质量比为8:1:1。
【文档编号】H01G11/86GK106098407SQ201610651606
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月10日 公开号201610651606.0, CN 106098407 A, CN 106098407A, CN 201610651606, CN-A-106098407, CN106098407 A, CN106098407A, CN201610651606, CN201610651606.0
【发明人】曹菲菲, 汪萍, 张耕, 郑新生
【申请人】华中农业大学