一种高收率、高比电容的多孔碳材料及其简易的制备方法与流程

本发明属于超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种直接由生物质衍生的多孔碳电极材料及其制备方法。

背景技术：

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型的储能装置，因其具有功率密度高、循环寿命长、充放电速率高等优点，成为人们研究的热点，而电极材料是超级电容器性能好坏的决定因素。超级电容器电极材料主要包括三类：碳基材料、金属氧化物和氢氧化物、导电高分子聚合物。在全球变暖和化石能源日益枯竭的大环境下，人们开始迫切地去寻找更加清洁、高效和可持续的电极材料。生物质作为一种分布广、含碳量丰富、绿色可再生的能源受到了越来越多的重视。

我国是高粱种植的大国，高粱杆作为生产过程中的主要废弃物，数量巨大。以高粱杆作为制备电极材料的原材料，既可以降低超级电容器的成本，又可以提高高粱杆的利用价值，减少焚烧带来的环境污染问题，实现高粱杆的高值化应用。

技术实现要素：

为解决现有的用于超级电容器的电极材料的来源问题，本发明旨在提供一种制备简单、高收率、绿色环保、性能优异的碳材料及其制备方法。具体的制备过程如下：

（1）粉化：将干燥后的高粱杆皮粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮进行碳化处理；

（3）收集：将煅烧后的碳材料进行收集。

步骤（1）中所述的干燥温度为80∼120℃，干燥时间为6∼12小时；

步骤（2）中的碳化处理是指将样品在惰性气氛（氮气或氩气）中升温至600∼900℃，保温2∼4小时。

与此相对比的是活化剂（氢氧化钾）活化的多孔碳材料及其制备工艺，具体的制备过程如下：

（1）粉化：将干燥后的高粱杆皮粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮进行碳化处理；

（3）活化：碳化后的碳材料与氢氧化钾按质量比为1：1进行均匀混合后于高温进行活化；

（4）洗涤干燥：将活化后的碳材料依次进行酸洗和水洗，直至洗到中性后进行干燥处理；

（5）收集：将干燥后的碳材料进行收集。

步骤（1）、（5）中所述的干燥温度为80∼120℃，干燥时间为6∼16小时。

步骤（2）中的碳化处理是指将高粱杆皮在300∼500℃惰性气氛（氮气或氩气）中保温2∼4小时；

步骤（3）中的活化温度为600～900℃，保温时间为2∼4小时；

步骤（4）中的酸洗液为1.0~5.0mol/l的盐酸溶液。

通过两种工艺成本、简易程度、产物收率、比电容的比较，发现直接对高粱杆皮进行煅烧碳化，不仅成本低廉、工艺简单，而且得到的碳材料收率更高、性能更好。因此，直接碳化法制备高粱杆衍生的碳材料拥有更高的商业应用价值。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了一种工艺简单、高收率的碳材料的制备路径，具有很高的商业应用价值；

（2）本发明所制备的碳材料具有较高的比电容，可作为超级电容器的电极材料。

附图说明

图1是各实施例所得到的碳材料的收率、比电容、面积比电容和归一化比电容。

具体实施方式

实施例1：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于600℃氮气气氛中保温4小时；

（3）收集：将煅烧后的碳材料进行收集。

实施例2：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于300℃氮气气氛中保温4小时进行碳化处理；

（3）活化：碳化后的碳材料与氢氧化钾按质量比为1：1进行均匀混合后于600℃氮气气氛中保温4小时进行活化；

（4）洗涤干燥：将活化后的碳材料依次进行1.0mol/l的盐酸溶液和蒸馏水洗涤，直至洗到中性后于80℃下干燥16小时；

（5）收集：将干燥后的碳材料进行收集。

实施例3：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于700℃氮气气氛中保温3小时；

（3）收集：将煅烧后的碳材料进行收集。

实施例4：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于400℃氮气气氛中保温3小时进行碳化处理；

（3）活化：碳化后的碳材料与氢氧化钾按质量比为1：1进行均匀混合后于700℃氮气气氛中保温3小时进行活化；

（4）洗涤干燥：将活化后的碳材料依次进行1.0mol/l的盐酸溶液和蒸馏水洗涤，直至洗到中性后于100℃下干燥12小时；

（5）收集：将干燥后的碳材料进行收集。

实施例5：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于800℃氮气气氛中保温2小时；

（3）收集：将煅烧后的碳材料进行收集。

实施例6：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于500℃氮气气氛中保温2小时进行碳化处理；

（3）活化：碳化后的碳材料与氢氧化钾按质量比为1：1进行均匀混合后于800℃氮气气氛中保温2小时进行活化；

（4）洗涤干燥：将活化后的碳材料依次进行1.0mol/l的盐酸溶液和蒸馏水洗涤，直至洗到中性后于110℃下干燥8小时；

（5）收集：将干燥后的碳材料进行收集。

实施例7：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于900℃氮气气氛中保温2小时；

（3）收集：将煅烧后的碳材料进行收集。

实施例8：

（1）粉化：将干燥的高粱杆皮进行粉碎；

（2）碳化：将干燥后的高粱杆皮于500℃氮气气氛中保温2小时进行碳化处理；

（3）活化：碳化后的碳材料与氢氧化钾按质量比为1：1进行均匀混合后于900℃氮气气氛中保温2小时进行活化；

（4）洗涤干燥：将活化后的碳材料依次进行1.0mol/l的盐酸溶液和蒸馏水洗涤，直至洗到中性后于120℃下干燥6小时；

（5）收集：将干燥后的碳材料进行收集。

用表面积分析仪对各实施例所制得的碳材料进行比表面积分析，其结果见图1。由图可知，活化后的碳材料比表面积显著提高，且随着活化温度的升高显著增大。

将各实施例中所得碳材料与乙炔黑、粘结剂（pvdf）以质量比为8：1：1的比例在玛瑙研钵中研磨均匀，并加入适量的溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮，研磨至糊状后将其涂覆在碳纸上，在100℃下干燥8小时后便制成了电极片。将制得的电极片置于6.0mol/lkoh电解液中，室温下用garmy电化学工作站进行电化学性能测试。各实施例样品的收率、面积比电容及在电流密度为1.0a/g下的比电容值如图1所示。由图可见，一步直接碳化制备的多孔碳材料和活化的多孔碳材料具有相近的比电容。且在700℃两种工艺所制备的碳材料性能均达到最佳值178f/g和186f/g。比表面积的显著增加并没有引起比电容的显著增加，表明koh活化的得到的微孔及介孔对电容的贡献率极小。直接活化的碳材料的面积比电容高达450μf/cm²。仅此koh活化反而降低了碳材料的收率和增加了工艺的复杂性。

为了综合考虑材料的投入与产出比和材料的性能，在这里我们定义归一化的比电容，即单位质量高粱杆皮制备得到碳材料的比电容。

归一化的比电容=碳材料的收率×比电容

由图1可知，高粱杆皮于700℃直接碳化得到的碳材料具有最高的归一化比电容，可以说明高粱杆皮直接碳化得到的碳材料用于超级电容器领域有着更高的商业价值。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。