一種分級多孔活性炭電極材料的無模板制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種分級多孔活性炭電極材料的無模板制備方法。該方法制備的活性炭材料具有微孔和介孔雙重結(jié)構(gòu)，具體工藝步驟如下：將常規(guī)的微活性炭和氫氧化鉀按不同比例進(jìn)行混合研磨，高溫煅燒；再將最佳配比的產(chǎn)物與氫氧化鉀按照不同的比例進(jìn)行第二次混合研磨，高溫煅燒，最后將煅燒后的產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、離心和干燥等處理，制得分級多孔活性炭材料。本發(fā)明專利技術(shù)的具有微孔?介孔雙重孔結(jié)構(gòu)的多孔活性炭材料用作超級電容器電極材料時，表現(xiàn)出良好的比容量和優(yōu)異的倍率性能。本制備方法具有新穎、操作簡單、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)。

Non template preparation method of hierarchical porous activated carbon electrode material

The invention discloses a template free preparation method of a hierarchical porous activated carbon electrode material. The method of preparation of activated carbon material prepared with double microporous and mesoporous structure, specific process steps are as follows: the conventional micro activated carbon and potassium hydroxide in different proportion of mixed grinding, high temperature calcination; then the product with the best ratio of second potassium hydroxide mixed grinding, according to the different proportion of high-temperature calcination, finally calcined after washing, centrifugation and drying treatment, prepared porous activated carbon materials. The present invention has double microporous mesoporous pore structure of porous carbon materials as electrode material of super capacitor, showing good rate performance and excellent capacity. The preparation method has the advantages of novelty, simple operation and low preparation cost.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種分級多孔活性炭電極材料的無模板制備方法
本專利技術(shù)涉及一種電極材料的制備方法，尤其涉及一種具有微孔-介孔雙重孔結(jié)構(gòu)的多孔活性炭材料的無模板制備方法；屬于新能源材料領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
近年來,碳基材料（碳納米顆粒、碳納米管、石墨烯等）以其獨(dú)特的優(yōu)勢在超級電容器的電極材料領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，尤其是活性炭材料。其中,活性炭的孔結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響超級電容器的性能，傳統(tǒng)活性炭材料的微孔通道狹窄,導(dǎo)致離子運(yùn)輸變得緩慢，特別在較高的充放電速率下電容衰減嚴(yán)重。為了改善活性炭材料的孔結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高超級電容器的電化學(xué)性能,國內(nèi)外研究者已能成功利用各種模板制備出具有分級孔結(jié)構(gòu)的多孔活性炭電極材料，但是通過模板法來制備多孔活性炭時會出現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)不易控制和制備條件苛刻等問題。Kang等人(ACSNano,2015,9:11225-11233)利用“蛋盒”模型制備的分級多孔活性炭電極材料具有2-4nm的孔分布；在50A/g的電流密度下，其比電容可達(dá)到156F/g。雖然采用該模板法制備的分級多孔活性炭電極材料具有較高的比電容和良好的電容性能，但是其制備過程復(fù)雜，孔徑尺寸不易控制。Ning等人（ChemComm，2011，47：5976-5978）以煅燒后產(chǎn)生的多孔MgO片為模板，采用甲烷為碳源制備了多孔活性炭材料；在10mV/s的掃描速率下，其比容量可達(dá)255F/g。由于煅燒產(chǎn)生的MgO的孔徑無法控制，因此我們無法有效的控制活性炭材料的孔徑，使得優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)這一難題仍難以解決。在超級電容器電極材料制備方面，利用無模板法來制備具有分級多孔結(jié)構(gòu)的活性炭材料開始受到了廣泛的關(guān)注。因此開發(fā)一種簡單、高效的無模板法制備分級多孔結(jié)構(gòu)活性炭材料的制備方法具有重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種具有微孔-介孔雙重孔結(jié)構(gòu)的分級多孔活性炭的無模板制備方法。該方法制備的分級多孔活性炭電極材料用作超級電容器電極材料時，能極大的提高其比容量以及倍率性能，同時該方法有效改進(jìn)傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的高純制備難題。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：將不同比例的微孔活性炭與氫氧化鉀充分混合研磨、煅燒、洗滌和干燥，所得產(chǎn)物再次與氫氧化鉀按照不同的比例混合研磨，之后將其進(jìn)行高溫煅燒制得具有分級孔結(jié)構(gòu)的多孔活性炭電極材料。上述多孔活性炭電極材料的制備方法，具體步驟如下：（1）將微孔活性炭與氫氧化鉀按照不同的比例混合研磨后進(jìn)行煅燒，活性炭與氫氧化鉀的比例為1:4～2:1，煅燒溫度為600℃～800℃。（2）將煅燒后的活性炭再次與氫氧化鉀按照不同的比例混合研磨并煅燒，混合比例為1:4～2:1，煅燒溫度為600℃～800℃。（3）將上述二次煅燒后的產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，最后將離心后的沉淀放入干燥箱中（50℃～70℃）干燥8～12個小時，即可得到分級多孔炭電極材料。在本專利技術(shù)的具體實(shí)施中洗滌產(chǎn)物的溶液為稀鹽酸和去離子水。在本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方案中對于煅燒，所述的煅燒溫度為600℃～800℃，煅燒時間為2～4小時，升溫速率為5～8℃/min。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果為：（1）本專利技術(shù)的制備過程只需將微孔活性炭采用氫氧化鉀進(jìn)行雙重活化即可得到分級多孔活性炭，不需借助具有分級孔結(jié)構(gòu)的模板材料以及復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，條件易控，工藝簡單，成本低廉，解決了常規(guī)制備過程復(fù)雜和模板材料不易尋找的難題。（2）本專利技術(shù)方法制備的分級多孔活性炭同時具有微孔和介孔雙重孔結(jié)構(gòu)，同時活性炭的形貌，孔徑大小均可調(diào)控。（3）本專利技術(shù)制備的分級多孔活性炭電極材料作為超級電容器電極材料時，表現(xiàn)出高的比容量和良好的倍率性能。以下將結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的構(gòu)思、具體材料結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本專利技術(shù)的目的、特征和效果。附圖說明圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的分級多孔活性炭電極材料的孔徑分布圖；圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的分級多孔活性炭電極材料的掃描電鏡圖；圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的分級多孔活性炭電極材料的透射電鏡圖；圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的分級多孔活性炭電極材料在不同電流密度下的恒流放電曲線。具體實(shí)施方式下面對本專利技術(shù)的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本專利技術(shù)技術(shù)為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方案和具體的操作過程，但本專利技術(shù)的保護(hù)范圍不限于以下列舉的特定實(shí)施例。實(shí)施例1首先，分別稱取2mg商業(yè)微孔活性炭和4mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨后高溫煅燒（溫度為600℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在70℃的條件下干燥12個小時得到第一次活化的產(chǎn)物，然后稱取1mg第一次活化的產(chǎn)物和3mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨，并高溫煅燒（溫度為600℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在70℃的條件下干燥12個小時得到分級多孔活性炭電極材料。所制得的分級多孔活性炭電極材料的孔徑分布如圖1所示，由圖1可知所制備的活性炭電極材料具有微孔和介孔雙重孔結(jié)構(gòu)。圖2和3分別為所制備的分級多孔活性炭電極材料的掃描電鏡圖和透射電鏡圖，可以看到二次活化后所制備的活性炭顆粒表面更粗糙并具有一定量的微孔和介孔。將該電極材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電炭按照80:15:5的比例研磨均勻后涂覆到泡沫鎳（1×1cm）上進(jìn)行干燥（70℃），制成工作電極，在三電極體系下（鉑絲作為對電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，1M的硫酸鈉水溶液作為電解液），對其電化學(xué)性能進(jìn)行測試。該復(fù)合電極在電流密度為1A/g下，比電容高達(dá)277F/g；當(dāng)電流密度增加到10A/g時，其容量值為197F/g，其電容衰減較小，表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能。(圖4)。實(shí)施例2首先，分別稱取2mg商業(yè)微孔活性炭和8mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨后高溫煅燒（溫度為700℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在50℃的條件下干燥12個小時得到第一次活化的產(chǎn)物，然后稱取1mg第一次活化的產(chǎn)物和4mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨后高溫煅燒（溫度為500℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在50℃的條件下干燥8個小時得到分級多孔活性炭電極材料。實(shí)施例3首先，分別稱取2mg商業(yè)微孔活性炭和6mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨后高溫煅燒（溫度為800℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在60℃的條件下干燥8個小時得到第一次活化的產(chǎn)物，然后稱取1mg第一次活化的產(chǎn)物和1mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨后高溫煅燒（溫度為700℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在50℃的條件下干燥12個小時得到分級多孔活性炭電極材料。實(shí)施例4首先，分別稱取2mg商業(yè)微孔活性炭和1mg氫氧化鉀在研缽中充分混合研磨后高溫煅燒（溫度為700℃），將高溫煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸和去離子水進(jìn)行洗滌，直到溶液的PH值為7，再將其進(jìn)行離心處理，所得的沉淀在50℃的條件下干燥8個小時得到第一次活化的產(chǎn)物，然后稱取1m本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種分級多孔活性炭超級電容器電極材料，其特征在于，該活性炭材料具有微孔?介孔雙重孔結(jié)構(gòu)，其中微孔尺寸約為1.8nm，介孔尺寸約為4nm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種分級多孔活性炭超級電容器電極材料，其特征在于，該活性炭材料具有微孔-介孔雙重孔結(jié)構(gòu)，其中微孔尺寸約為1.8nm，介孔尺寸約為4nm。2.一種分級多孔活性炭材料的無模板制備方法，其特征在于，具體步驟如下：（1）將微孔活性炭和氫氧化鉀按照不同比例進(jìn)行充分的混合研磨后高溫煅燒；（2）將煅燒后的物質(zhì)進(jìn)行洗滌、離心和干燥等處理，得到第一次活化的產(chǎn)物；（3）將上述所得產(chǎn)物與氫氧化鉀按照不同的比例再次進(jìn)行充分的混合研磨，高溫煅燒，然后進(jìn)行洗滌、離心和干燥等處理得到分級多孔活性炭材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中所用的活性炭為微孔活性炭。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中活性炭與氫氧化鉀的比例為1:4～...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊樹華，孫靖，曹丙強(qiáng)，
申請(專利權(quán))人：濟(jì)南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：山東,37