本發(fā)明屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過添加離子液體制備超級(jí)電容器用多孔炭片的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會(huì)化石燃料消耗過度，環(huán)境污染加重，亟需開發(fā)環(huán)保、可持續(xù)的新能源，及能量存儲(chǔ)的新技術(shù)。超級(jí)電容器具有循環(huán)穩(wěn)定性好和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，是依靠帶電粒子在電極材料表面的吸脫附來儲(chǔ)存和輸出能量。超級(jí)電容器用電極材料的性能是影響其性能的主要因素之一。

離子液體是由有機(jī)陽離子、無機(jī)或者有機(jī)陰離子構(gòu)成，在室溫下或者室溫附近呈液態(tài)的鹽類，也叫室溫離子液體。離子液體一般可分為有機(jī)離子液體、配位離子液體、超分子離子液體。離子液體因?yàn)榫哂胁粨]發(fā)、不易燃、較寬的液態(tài)溫度區(qū)、較好的熱穩(wěn)定性、良好的溶解性和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的、易揮發(fā)、易污染的有機(jī)溶劑，廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、催化反應(yīng)、材料制備和氣體分離等領(lǐng)域。此外，由于結(jié)構(gòu)上的可設(shè)計(jì)性，離子液體經(jīng)修飾之后具有功能基團(tuán)，可以達(dá)到應(yīng)用中的特殊要求。正是基于這些特點(diǎn)，離子液體成為極具應(yīng)用潛力的綠色溶劑之一。

煤焦油，又稱煤膏，是煤在隔絕空氣干餾后得到的粘稠狀液體產(chǎn)物，在室溫條件下呈黑色或黑褐色。煤焦油是廉價(jià)的化工副產(chǎn)品，每年的產(chǎn)量超過兩千萬噸，其產(chǎn)量約占裝爐煤量的3％-4％，其成分可達(dá)上萬種，主要含有苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽等芳烴類，芳香族含氧化合物，含硫、氮元素的雜環(huán)化合物等有機(jī)物。由煤焦油直接制備多孔炭片可以實(shí)現(xiàn)煤焦油的高附加值利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有制備多孔炭片所需原料成本高、技術(shù)復(fù)雜等不足，提出了一種成本低、工藝簡單、綠色環(huán)保的制備方法。

本發(fā)明以煤焦油為碳源，離子液體為溶劑，氫氧化鉀為活化劑，采用常規(guī)加熱制備超級(jí)電容器用煤焦油基多孔炭片，具體步驟如下：

(1)反應(yīng)物的預(yù)處理：將1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(BmimBF₄)離子液體逐滴加入煤焦油中，攪拌使煤焦油完全溶解在離子液體中；再將片狀氫氧化鉀放入研缽中研磨至粉末，將粉末狀氫氧化鉀分多次加入煤焦油和離子液體的混合物中，得到預(yù)處理后的反應(yīng)物；其中，煤焦油與離子液體兩者的質(zhì)量比固定為1/1；煤焦油與氫氧化鉀兩者的質(zhì)量比介于1/3～1/5之間。

進(jìn)一步的，在步驟(1)中，所述氫氧化鉀為片狀，煤焦油與氫氧化鉀兩者的質(zhì)量比為1/4。

(2)煤焦油基多孔炭片的制備:將步驟(1)所得的預(yù)處理后的反應(yīng)物放入剛玉瓷舟中，并將剛玉瓷舟置于管式爐內(nèi)，通入保護(hù)氣體排凈所述管式爐內(nèi)的空氣，將管式爐升溫至300℃，恒溫不少于30min，繼續(xù)將管式爐升溫至800～900℃的終溫,在此溫度下恒溫不少于120min后自然降溫至室溫。將所得到的產(chǎn)物取出置于研缽中研磨粉碎后放入燒杯內(nèi)，加入蒸餾水，用磁力攪拌器攪拌后過濾，再用蒸餾水將過濾物洗滌至中性，最后將所得過濾物放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥、研磨、粉碎、過篩，得到超級(jí)電容器用煤焦油基多孔炭片。

進(jìn)一步的，在步驟(2)中，所述反應(yīng)終溫為800℃。

(3)以步驟(2)所得的煤焦油基多孔炭片為活性物質(zhì)，以聚四氟乙烯水性乳液為粘結(jié)劑，以泡沫鎳為集流體，制備工作電極，并組裝成對(duì)稱型超級(jí)電容器。在6M氫氧化鉀電解液中對(duì)所得多孔炭片材料進(jìn)行電化學(xué)性能測試。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

1、采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體作為溶劑溶解煤焦油，使煤焦油中的分子被分散開。在熱處理過程中，煤焦油中的小分子更易于揮發(fā)，從而使聚合反應(yīng)更多的發(fā)生在大分子稠環(huán)芳烴之間，有利于二維聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成；同時(shí)，離子液體在400℃左右分解產(chǎn)生的氫氟酸會(huì)對(duì)聚合物進(jìn)行活化，使最終合成的炭片孔隙更加發(fā)達(dá)。

2、沒有使用模板劑，直接以煤焦油為碳源合成多孔炭片，工藝簡單，綠色環(huán)保。

3、作為超級(jí)電容器電極材料，多孔炭片顯示了良好的電化學(xué)性能，在6M KOH電解液中，在0.05A/g電流密度下，多孔炭片的比容達(dá)314F/g；在20A/g電流密度下，其比容為218F/g，顯示出很高的容量和優(yōu)異的速率性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的多孔炭片的氮吸脫附等溫線圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的多孔炭片的孔徑分布圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的多孔炭片在0.05A/g和20A/g電流密度下的比容對(duì)比圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的多孔炭片PC_12-800的透射電鏡照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于下述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解成事例性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變和修改，所有這些改變和修改包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。

實(shí)施例1

多孔炭片PC_9-800的具體制備過程如下：

(1)反應(yīng)物的預(yù)處理：稱取3g 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(BmimBF₄)離子液體和3g煤焦油；將離子液體逐滴加入煤焦油中，攪拌使煤焦油完全溶解在離子液體當(dāng)中；再稱取9g片狀氫氧化鉀放入研缽中研磨至粉末，將粉末狀氫氧化鉀分多次加入煤焦油和離子液體的混合物中，得到預(yù)處理后的反應(yīng)物。

(2)煤焦油基多孔炭片的制備:將步驟(1)所得的預(yù)處理后的反應(yīng)物放入剛玉瓷舟中，并將剛玉瓷舟置于管式爐內(nèi)，以120mL/min的氣流速度通入高純氬氣10min排盡管式爐內(nèi)的空氣，然后在40mL/min的高純氬氣流速下，以5℃/min的升溫速率將管式爐升溫至300℃，恒溫30min，繼續(xù)以5℃/min的升溫速率將管式爐升溫至800℃的終溫,在此溫度下恒溫120min后自然降溫至室溫。將所得到的產(chǎn)物取出，置于研缽中研磨粉碎后放入燒杯內(nèi)，加入適量蒸餾水，用磁力攪拌器攪拌12h，再用蒸餾水將其洗滌至中性。最后將所得炭材料放入110℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥12h后研磨、粉碎、過325目篩，得到超級(jí)電容器用煤焦油基多孔炭片，所得材料標(biāo)記為PC_9-800。

(3)多孔炭片電化學(xué)性能測試：將多孔炭片PC_9-800與聚四氟乙烯(PTFE)按照90：10的質(zhì)量比混合，輥壓、沖孔獲得電極，組裝成對(duì)稱型超級(jí)電容器。所得PC_9-800電極材料在6M KOH電解液中，在0.05A/g電流密度下，其比容為204F/g；在20A/g電流密度下，其比容為167F/g。

實(shí)施例2

多孔炭片PC_12-800的具體制備過程如下：

(1)反應(yīng)物的預(yù)處理：按照與實(shí)施例1中的步驟(1)同樣的方法實(shí)施，不同之處在于，片狀氫氧化鉀的質(zhì)量為12g。

(2)多孔炭片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟(2)同樣的方法實(shí)施，所得多孔炭片標(biāo)記為PC_12-800。

(3)多孔炭片電化學(xué)性能測試：按照與實(shí)施例1中的步驟(3)同樣的方法實(shí)施，所得PC_12-800電極材料在6M KOH電解液中，在0.05A/g電流密度下，其比容為314F/g；在20A/g電流密度下，其比容為218F/g。

實(shí)施例3

多孔炭片PC_15-800的具體制備過程如下：

(1)反應(yīng)物的預(yù)處理：按照與實(shí)施例1中的步驟(1)同樣的方法實(shí)施，不同之處在于，片狀氫氧化鉀的質(zhì)量為15g。

(2)多孔炭片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟(2)同樣的方法實(shí)施，所得多孔炭片標(biāo)記為PC_15-800。

(3)多孔炭片電化學(xué)性能測試：按照與實(shí)施例1中的步驟(3)同樣的方法實(shí)施，所得PC_15-800電極材料在6M KOH電解液中，在0.05A/g電流密度下，其比容為285F/g；在20A/g電流密度下，其比容為181F/g。

實(shí)施例4

多孔炭片PC_12-900的具體制備過程如下：

(1)反應(yīng)物的預(yù)處理：按照與實(shí)施例1中的步驟(1)同樣的方法實(shí)施，不同之處在于，片狀氫氧化鉀的質(zhì)量為12g。

(2)多孔炭片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟(2)同樣的方法實(shí)施，不同之處在于，管式爐加熱終溫為900℃，所得多孔炭片標(biāo)記為PC_12-900。

(3)多孔炭片電化學(xué)性能測試：按照與實(shí)施例1中的步驟(3)同樣的方法實(shí)施，所得PC_12-900電極材料在6M KOH電解液中，在0.05A/g電流密度下，其比容為255F/g；在20A/g電流密度下，其比容為164F/g。

表1本發(fā)明超級(jí)電容器用煤焦油基多孔炭片的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)