一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及到活性炭材料的組合物及其制備方法，具體說是一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容器是一種新型儲能裝置，它具有功率密度高、充電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等優(yōu)良特點(diǎn)。被電子行業(yè)優(yōu)先而廣泛使用。目前超級電容器的電極材料主要是采用碳材料和過渡金屬氧化物而制得，其中碳材料仍是當(dāng)前商業(yè)化超級電容器中使用最為普遍的電極材料。傳統(tǒng)的碳材料由于其比容量低，已經(jīng)無法滿足超級電容器發(fā)展的要求。為滿足超級電容器快速發(fā)展的需要，近年來，業(yè)界不斷開發(fā)了一些新型碳材料，包括有序介孔炭、有序微孔炭、石墨烯、碳納米管等等已經(jīng)被合成并應(yīng)用到新型超級電容器中。但是這些新型的碳材料生產(chǎn)工藝較復(fù)雜且生產(chǎn)成本高。為了降低制備成本，采用可再生的生物質(zhì)為原料制備高性能碳電極材料將會是一種有效的辦法，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高附加值利用。此外，由于眾多生物質(zhì)自身含有氮、硫等元素，因而通過選擇合適的生物質(zhì)為原料，在碳材料中引入氣、硫等兀素，一方面可以提尚碳材料的導(dǎo)電性，另一方面摻雜的這些元素還能弓I入額外的贗電容，進(jìn)一步提高碳材料的電容性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的發(fā)明目的是，針對上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭及其制備方法。在技術(shù)上主要解決兩個(gè)方面的問題:一是選擇氮硫共摻雜活性炭的組合物成份；二是采用該組合物制取氮硫共摻雜活性炭的制備方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案之一是:
一種氮硫共摻雜活性炭，主要由下述組合物按其重量份數(shù)比配比，經(jīng)炭化和活化工藝而制取；所述的組合物為:
大發(fā)梧桐科植物果實(shí)經(jīng)炭化后粉狀物 I 一 2份；
堿性活化劑I 一 4份；
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化:
所述的大發(fā)梧桐科植物果實(shí)為胖大海、梧桐果、油桐果中的一種或幾種混合。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案之二是:
一種采用上述組合物制取氮硫共摻雜活性炭的制備方法，包括如下工藝步驟:
O炭化:①浸泡:取大發(fā)梧桐科植物果實(shí)，置入容器內(nèi)浸泡，使其浸泡成海綿狀絮狀物；②水熱處理:去雜去核后，將海綿狀絮狀物置入反應(yīng)釜中進(jìn)行密閉水熱處理5_12h，溫度為180~220°C ;③離心濾水；④烘干；⑤研磨:得到粉狀物；
2)活化:取上述I)中得到的粉狀物I 一 2份，并取堿性活化劑I 一 4份，混合均勻后，放入管式爐中活化，活化過程為:①采用階段式升溫和保溫:從室溫升到200°C后保溫30~60分鐘；升到450°C后保溫30~60分鐘；升溫到650°C保溫30~120分鐘；升溫到750_1000°C保溫60~120分鐘；②緩慢降溫，直到降到室溫鹽酸溶液浸泡:從活化爐中取出活化后物質(zhì)，置入容器內(nèi)，用0.5-2 mol/L濃度的鹽酸溶液浸泡一定時(shí)間；④水洗:從容器內(nèi)取出浸泡物，用去離子水對浸泡物水洗，使其PH值為中性；⑤烘干；烘干后即成為氮硫共摻雜活性炭。
[0006]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)或優(yōu)化:所述的堿性活化劑是指氫氧化鉀、碳酸鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣其中的一種或幾種混合。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、通過本發(fā)明制備的活性炭材料的氮原子含量約為0.5~2%，硫原子含量約為0.2-1% ；比表面積大于1000 m2/g。
[0008]2、通過本發(fā)明制備的活性炭材料與聚四氟乙烯(PVDF)以質(zhì)量比95比5混合后，用N-甲基吡咯烷酮調(diào)成漿料后均勻涂布到泡沫鎳表面，80°C干燥12小時(shí)后將其作為工作電極、鉑片為對電極、汞/氧化汞為參比電極，電解液為6 M的氫氧化鉀溶液，采用三電極系統(tǒng)，測試電壓范圍_1~0V，測試儀器為上海晨華CHI 760E電化學(xué)工作站。當(dāng)用作超電容電極材料在IA /g下恒電流下放電比容量大于200F/g，20A/g下恒電流充放電10 000次容量無明顯衰減。
[0009]3、原料價(jià)廉易得。
[0010]4、本發(fā)明還具有:①制備過程簡單制備的活性炭孔分布范圍廣、比表面積高；③具有高容量、循環(huán)性能好及充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0011]圖1:本發(fā)明一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭的X-射線光電子能譜圖； 圖2:本發(fā)明一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭的氮?dú)獾葴匚?脫附曲線及孔徑分布曲線圖；
圖3:本發(fā)明一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭的循環(huán)伏安曲線圖；
圖4:本發(fā)明一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭的恒電流充放電曲線圖；
圖5:本發(fā)明一種用于超級電容器的氮硫共摻雜活性炭的恒電流放電循環(huán)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
一種氮硫共摻雜活性炭，主要由下述組合物按其重量份數(shù)比配比，經(jīng)炭化和活化工藝而制取；所述的組合物為:
大發(fā)梧桐科植物果實(shí)經(jīng)炭化后粉狀物I 一 2份；
堿性活化劑I 一 4份；
所述的大發(fā)梧桐科植物果實(shí)為胖大海、梧桐果、油桐果中的一種或幾種混合。
[0013]一種采用上述組合物制取氮硫共摻雜活性炭的制備方法，包括如下工藝步驟:
O炭化:①取大發(fā)梧桐科植物果實(shí)，置入容器內(nèi)浸泡，使其浸泡成海綿狀絮狀物；②水熱處理:去雜去核后，將海綿狀絮狀物置入反應(yīng)Il中密閉水熱處理5-12h，溫度為180~220°C;③離心濾水；從反應(yīng)釜中取出水熱處理后的含水泥狀物進(jìn)行離心濾水；④烘干:將濾水后的粒狀物置入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干；⑤研磨:將烘干后粒狀物進(jìn)行研磨，得到粉狀物； 2)活化:取上述I)中得到的粉狀物I 一 2份，并取堿性活化劑I 一 4份，混合均勻后，放入管式爐中活化，活化過程為:①采用階段式升溫和保溫:從室溫升到200°C后保溫30~60分鐘；升到450°C后保溫30~60分鐘；升溫到650°C保溫30~120分鐘；升溫到750_1000°C保溫60~120分鐘；②緩慢降溫，直到降到室溫鹽酸溶液浸泡:從活化爐中取出活化后物質(zhì)，置入容器內(nèi)，用0.5-2 mol/L濃度的鹽酸溶液浸泡12小時(shí)；④水洗:從容器內(nèi)取出浸泡物，用去離子水對浸泡物水洗，使其PH值為中性；⑤烘干；即制得氮硫共摻雜活性炭材料。所述的堿性活化劑是指氫氧化鉀、碳酸鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣其中的一種或幾種混合。
[0014]實(shí)施例1
一種采用上述組合物制取氮硫共摻雜活性炭的制備方法，包括如下工藝步驟:
O炭化:①取干燥成熟的胖大海果實(shí)，置入容器內(nèi)浸泡，使其浸泡成海綿狀絮狀物水熱處理:去雜去核后，將海綿狀絮狀物置入反應(yīng)釜中密閉水熱處理12h，溫度為180°C離心濾水；從反應(yīng)釜中取出水熱處理后的含水泥狀物進(jìn)行離心濾水；④烘干:將濾水后的粒狀物置入80°C烘箱內(nèi)進(jìn)行烘，時(shí)間為12h ;⑤研磨:將烘干后粒狀物進(jìn)行研磨，得到粉狀物；
2)活化:按重量份數(shù)比，取上述I)中得到的粉狀物I份，并取堿性活化劑I份，混合均勻后，放入管式爐中活化，活化過程為:①采用階段式升溫和保溫:以5°C /分鐘的升溫速率，從室溫升到200°C后保溫60分鐘；升到450°C后保溫360分鐘；升溫到650°C保溫120分鐘；升溫到800°C保溫120分鐘；②緩慢降溫，直到降到室溫鹽酸溶液浸泡:從活化爐中取出活化后物質(zhì)，置入容器內(nèi)，用I mol/L L濃度的鹽酸溶液浸泡12小時(shí)；④水洗??從容器內(nèi)取出浸泡物，用去離子水對浸泡物水洗，使其pH值為中性；⑤再在80°C烘箱內(nèi)烘干12h，即制得氮硫共摻雜活性炭材料。
[0015]本實(shí)施例得到的活性炭在lA/g下恒電流下放電比容量為215 F/go
[0016]實(shí)施例2
O炭化:①取干燥成熟的梧桐果實(shí)，置入容器內(nèi)浸泡，使其浸泡成海綿狀絮狀物；②水熱處理:去雜去核后，將海綿狀絮狀物置入反應(yīng)釜中密閉水熱處理12h，溫度為180°C離心濾水；從反應(yīng)釜中取出水熱處理后的含水泥狀物進(jìn)行離心濾水；④烘干:將濾水后的粒狀物置入80°C烘箱內(nèi)進(jìn)行烘，時(shí)間為12h ;⑤研磨:將烘干后粒狀物進(jìn)行研磨，得到粉狀物；
2)活化:按重量份數(shù)比，取上述I)中得到的粉狀物I份，并取碳酸鉀2份，混合均勻后，放入管式爐中活化，活化過程為:①采用階段式升溫和保溫:以2°C /分鐘的升溫速率，從室溫升到20(TC后保溫60分鐘；升到450°C后保溫60分鐘；升溫到650°C保溫120分鐘；升溫到800°C保溫120分鐘；②緩慢降溫，直到降到室溫鹽酸溶液浸泡:從活化爐中取出活化后物質(zhì)，置入容器內(nèi)，用I mol/L濃度的鹽酸溶液浸泡12小時(shí)；④水洗:從容器內(nèi)取出浸泡物，用去離子水對浸泡物水洗，使其PH值為中性；⑤再在80°C烘箱內(nèi)烘干12h，即制得氮硫共摻雜活性炭材料。
[0017]本實(shí)施例取得的活性炭在IA/ g下恒電流下放電比容量為245 F/g。
[0018]實(shí)施例3
O炭化:①取干燥成熟的油桐果實(shí)，置入容器內(nèi)浸泡，使其浸泡成海綿狀絮狀物；②水熱處理:去雜去核后，將海綿狀絮狀物置入反應(yīng)釜中密閉水熱處理12h，溫度為180°C離心濾水；從反應(yīng)釜中取出水熱處理后的含水泥狀物進(jìn)行離心濾水；④烘干:將濾水后的粒狀物置入80°C烘箱內(nèi)進(jìn)行烘，時(shí)間為12h ;⑤研磨:將烘干后粒狀物進(jìn)行研磨，得到粉狀物；
2)活化:按重量份數(shù)比，取上述I)中得到的粉狀物I份，并取碳酸鉀I份，氫氧化鉀I份，混合均勻后，放入管式爐中活化，活化過程為:①采用階段式升溫和保溫:以:TC /分鐘的升溫速率，從室溫升到200°C后保溫60分鐘；升到450°C后保溫60分鐘；升溫到650