一種軟模板法制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種軟模板法制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器因具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)而備受人們關(guān)注。根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)制的不同，可以將超級(jí)電容器分為兩類:一類是雙電層電容器，儲(chǔ)電機(jī)理為在電極和電解液界面形成雙電層，這類超級(jí)電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)；另一類是氧化還原電容器，儲(chǔ)電機(jī)理為在炭材料的表面發(fā)生電化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，這類超級(jí)電容器具有高的能量密度。超級(jí)電容器的電化學(xué)性能主要取決于電極材料。多孔炭具有比表面積高、化學(xué)性能穩(wěn)定、電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，是備受人們青睞的超級(jí)電容器用電極材料。
[0003]煤瀝青含有大量的芳香烴化合物，受熱易液化，具有很強(qiáng)的可塑性，固定碳含量較高(達(dá)57.5%)而灰分含量較低(約0.16%)，是制備多孔炭的首選碳源。模板法是制備多孔炭的常見方法，可分為硬模板法和軟模板法。常用的硬模板有納米金屬鹽類和納米金屬氧化物等。這類納米級(jí)硬模板不僅合成條件苛刻、成本高，而且，硬模板的去除需要大量的酸洗滌，硬模板回收較難，且洗滌廢水會(huì)帶來環(huán)境污染問題。軟模板主要以分子內(nèi)或者分子間的作用力維持特定結(jié)構(gòu)，受熱易分解，常用的軟模板有生物大分子或表面活性劑等。相對(duì)來說，軟模板法合成過程簡單、軟模板在分解后形成的產(chǎn)物有很大一部分轉(zhuǎn)化為炭材料的一部分，不需要用酸進(jìn)行洗滌去除軟模板，故軟模板法具有成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明以煤瀝青為碳源，三聚氰胺為軟模板協(xié)同氫氧化鉀活化，利用煤瀝青易軟化的特性，對(duì)三聚氰胺進(jìn)行包裹，通過一步加熱法直接制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭，該方法具有環(huán)境友好、成本低、可實(shí)現(xiàn)煤瀝青高附加值利用的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該方法也未見報(bào)道。
[0005]本發(fā)明提出一種軟模板法制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭的方法。該方法具體步驟如下:
[0006](1)反應(yīng)物的預(yù)處理:將煤瀝青放入研缽，加入三聚氰胺研磨混合均勻，再加入已研磨成粉的氫氧化鉀，三者混合均勻，得反應(yīng)物。其中，煤瀝青和三聚氰胺質(zhì)量比介于1/7?3/1之間，煤瀝青與氫氧化鉀的質(zhì)量比介于1/16?3/8之間；
[0007](2)蜂窩狀多孔炭的制備:把步驟(1)得到的反應(yīng)物放入剛玉舟中，然后將所述剛玉舟置于管式爐內(nèi)，通入氮?dú)鈱⒐苁綘t內(nèi)的空氣排凈，以5°C/min的升溫速率將管式爐加熱至150°C，恒溫30min，繼續(xù)以相同的升溫速率將管式爐加熱至800°C，恒溫60min，反應(yīng)結(jié)束后自然降至室溫，將得到的產(chǎn)物取出、研磨粉碎后，經(jīng)酸洗、蒸餾水洗滌至中性，干燥后得到蜂窩狀多孔炭。
[0008]作為一種優(yōu)化，所述煤瀝青的質(zhì)量為4g，三聚氰胺的質(zhì)量為4g，氫氧化鉀的質(zhì)量為16g0
[0009]該發(fā)明是以煤瀝青為碳源，以三聚氰胺為軟模板協(xié)同氫氧化鉀活化，將三種原料混合均勻后轉(zhuǎn)移至剛玉舟中，置于管式爐內(nèi)，采用常規(guī)加熱，直接制得超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭。本發(fā)明制備的蜂窩狀多孔炭電極材料，在6mol/L Κ0Η電解液中，電流密度為0.05A/g時(shí)，其比容達(dá)221F/g;電流密度增大到20A/g時(shí)，其比容達(dá)179F/g，比容保持率為81.0%，顯示了很高的容量和優(yōu)異的速率性能。所制備的蜂窩狀多孔炭電極材料，在6mo 1 /L Κ0Η電解液中，電流密度為0.05A/g時(shí)，初始?jí)航祪H為0.00087V，說明內(nèi)阻小，導(dǎo)電性好。本專利以煤瀝青為碳源，分別以三聚氰胺和氫氧化鉀作為軟模板和活化劑，直接制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭，具有工藝簡單、原料廉價(jià)易得、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0011]1、以三聚氰胺作為軟模板，軟模板價(jià)廉易得，且軟模板分解后部分轉(zhuǎn)變?yōu)樘坎牧?，不需要用酸進(jìn)行洗滌去除，減少了洗滌水的污染，具有成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)；
[0012]2、所制備的蜂窩狀多孔炭具有三維的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有助于電解液離子在孔中的快速擴(kuò)散；
[0013]3、所制備的蜂窩狀多孔炭電極材料，在6mo 1 /L Κ0Η電解液中，在0.05A/g電流密度下，其比容達(dá)221F/g;在20A/g電流密度下，其比容保持為179F/g，顯示了很高的容量和優(yōu)異的速率性能；
[0014]4、所制備的蜂窩狀多孔炭電極材料，在6mol/L Κ0Η電解液中，電流密度為0.05A/g時(shí)，初始?jí)航祪H為0.00087V，說明內(nèi)阻小，導(dǎo)電性好。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例3制備的蜂窩狀多孔炭的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例4制備的蜂窩狀多孔炭的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。
[0017]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的蜂窩狀多孔炭電極材料在6mol/LΚ0Η電解液中，在0.05A/g的電流密度下的充放電曲線。
[0018]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4制備的蜂窩狀多孔炭電極材料在6mol/LΚ0Η電解液中，不同電流密度下的比容。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明要保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例說明的范圍，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)明精神和范圍的基礎(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)。
[0020]實(shí)施例1
[0021 ]蜂窩狀多孔炭HPCV7的具體制備過程如下:
[0022](1)反應(yīng)物的預(yù)處理:稱取lg煤瀝青放入研缽，加入7g三聚氰胺研磨混合均勾，再加入16g氫氧化鉀粉末，三者混合均勻，得到反應(yīng)物。
[0023](2)蜂窩狀多孔炭的制備:把步驟(1)得到的反應(yīng)物放入剛玉瓷舟中，然后將所述剛玉舟置于管式爐內(nèi)，以60mL/min的流量通入氮?dú)鈱⒐苁綘t內(nèi)的空氣排凈，采用常規(guī)加熱，以5°C/min的升溫速率將管式爐加熱至150°C，恒溫30min，繼續(xù)以相同的升溫速率將管式爐加熱至800°C，恒溫60min，反應(yīng)結(jié)束后自然降至室溫，然后將得到的產(chǎn)物取出，研磨粉碎后放入燒杯中，加入少量的2mol/L稀鹽酸，超聲震蕩lh，再用磁力攪拌器在室溫下攪拌3h，然后用70?80°C的蒸餾水洗滌至濾液的pH值為中性，將洗滌后的樣品置于干燥箱內(nèi)于110°C恒溫干燥24h后研磨過325目篩，得到蜂窩狀多孔炭。所得蜂窩狀多孔炭標(biāo)記為HPCv^HPCvy用作超級(jí)電容器電極材料，在6mol/L KOH電解液中，在0.05A/g電流密度下，HPCV7的比容為81F/g;在20A/g電流密度下，HP&/7的比容為50F/g。
[0024]實(shí)施例2
[0025]蜂窩狀多孔炭HPC2/6的具體制備過程如下:
[0026](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，煤瀝青的質(zhì)量為2g，三聚氰胺的質(zhì)量為6g。
[0027](2)蜂窩狀多孔炭的制備:按照與實(shí)施例1中的步驟(2)同樣的方法實(shí)施。所得蜂窩狀多孔炭標(biāo)記為HPC2/6(3HPC2/6用作超級(jí)電容器電極材料，在6mol/L Κ0Η電解液中，在0.05A/g電流密度下，HPC2/6的比容為179F/g;在20A/g電流密度下，HPC2/6的比容為136F/g。
[0028]實(shí)施例3
[0029]蜂窩狀多孔炭HPC4/4的具體制備過程如下:
[0030](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，煤瀝青的質(zhì)量為4g，三聚氰胺的質(zhì)量為4g。
[0031 ] (2)蜂窩狀多孔炭的制備:按照與實(shí)施例1中的步驟(2)同樣的方法實(shí)施。所得蜂窩狀多孔炭標(biāo)記為HPC4/4JPC4/4用作超級(jí)電容器電極材料，在6mol/L Κ0Η電解液中，在0.05A/g電流密度下，HPC4/4的比容為221F/g;在20A/g電流密度下，HPC4/4的比容為179F/g。
[0032]實(shí)施例4
[0033]蜂窩狀多孔炭HPC6/2的具體制備過程如下:
[0034](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，煤瀝青的質(zhì)量為6g，三聚氰胺的質(zhì)量為2g。
[0035](2)蜂窩狀多孔炭的制備:按照與實(shí)施例1中的步驟(2)同樣的方法實(shí)施。所得蜂窩狀多孔炭標(biāo)記為HPC6/2(3HPC6/2用作超級(jí)電容器電極材料，在6mol/L Κ0Η電解液中，在0.05A/g電流密度下，HPC6/2的比容為194F/g;在20A/g電流密度下，HPC6/2的比容為157F/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種軟模板法制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭的方法，其特征在于，該方法具體步驟如下: (1)反應(yīng)物的預(yù)處理:將煤瀝青放入研缽，加入三聚氰胺研磨混合均勻，再加入已研磨成粉末的氫氧化鉀，三者混合均勻，得到反應(yīng)物； 其中，煤瀝青和三聚氰胺質(zhì)量比介于1/7?3/1之間，煤瀝青與氫氧化鉀的質(zhì)量比介于1/16?3/8之間； (2)蜂窩狀多孔炭的制備:把步驟(1)得到的反應(yīng)物放入剛玉舟中，然后將所述剛玉舟置于管式爐內(nèi)，通入氮?dú)鈱⒐苁綘t內(nèi)的空氣排凈，以5°C/min的升溫速率將管式爐加熱至150°C，恒溫30min，繼續(xù)以相同的升溫速率將管式爐加熱至800°C，恒溫60min，反應(yīng)結(jié)束后自然降至室溫，將得到的產(chǎn)物取出、研磨粉碎后，經(jīng)酸洗、蒸餾水洗滌至中性，干燥后得到蜂窩狀多孔炭。2.如權(quán)利要求1所述的一種軟模板法制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭的方法，其特征在于，步驟(1)中，所述煤瀝青的質(zhì)量為4g，三聚氰胺的質(zhì)量為4g，氫氧化鉀的質(zhì)量為16g。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軟模板法制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭的方法，屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以煤瀝青為碳源，三聚氰胺為軟模板協(xié)同氫氧化鉀活化，通過一步加熱法直接制備超級(jí)電容器用蜂窩狀多孔炭。本發(fā)明軟模板分解后形成的產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫滋康囊徊糠?，不需要用酸進(jìn)行洗滌，減小了洗滌水造成的污染。本發(fā)明制備的蜂窩狀多孔炭電極材料，在6mol/L？KOH電解液中放電時(shí)，初始?jí)航岛艿?，說明內(nèi)阻小、導(dǎo)電性好；當(dāng)電流密度為0.05A/g時(shí)，其比容達(dá)221F/g，電流密度增大到20A/g時(shí)，其比容達(dá)179F/g，比容保持率為81.0％，顯示了很高的容量和優(yōu)異的速率性能。本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H01G11/44, C01B31/02
【公開號(hào)】CN105417522
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610057258
【發(fā)明人】何孝軍, 余歡歡, 范梁威
【申請(qǐng)人】安徽工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2016年1月26日