本发明提供了一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法;包括如下步骤:步骤一,将经活化处理的海藻碳加入过渡金属盐溶液中,均匀混合,得产物A;步骤二,将产物A过滤,干燥,高温煅烧,酸洗,得最终产物石墨化多孔碳。通过将活化处理的多孔碳浸渍金属盐溶液,引入催化剂前驱体并高温处理在多孔碳内部得到石墨化纳米结构。本发明以海藻为原材料,并通过金属纳米颗粒的负载和高温催化作用得到石墨化的多孔碳结构,从而多孔碳材料比表面积得到明显的提高,从而获得良好的电荷存储能力,并且由于石墨化结构的引入使得材料整体的导电率大大的提高,使材料在高电流密度下仍有很好的能量存储和释放能力。
1.一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:步骤一,将经活化处理的海藻碳加入过渡金属盐溶液中,均匀混合,得产物A;步骤二,将产物A过滤,干燥,高温煅烧,酸洗,干燥,得最终产物石墨化多孔碳;步骤一中,所述活化处理包括如下步骤:步骤1,将经高温煅烧后的海藻加入盐酸中,搅拌均匀,过滤,干燥,得海藻碳化粉末;步骤2,将海藻碳化粉末加入碱溶液中,加热,蒸干,高温煅烧,得活化产物;步骤3,将活化产物加入盐酸中,搅拌均匀,过滤,干燥,即可。
2.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧1~3小时,煅烧温度为400~900°C。
3.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述海藻为褐藻属的任一种藻类。
4.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧0.5~3小时,煅烧温度为550~900°C。
5.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述碱溶液为浓度为1~7mol/L的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。
6.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,步骤一中,所述过渡金属盐溶液为硝酸盐、硫酸盐、氯盐或草酸盐溶液。
7.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,步骤二中,所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧0.5~3小时,煅烧温度为600~1000°C。
8.根据权利要求1所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,所述酸洗包括如下步骤:将高温煅烧后的产物A加入强酸溶液中,搅拌,调节pH为7。
9.根据权利要求8所述的超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,其特征在于,所述强酸溶液中的搅拌时间为0.5~4小时,所述强酸溶液中的搅拌温度为60~80°C。技术领域
本发明涉及一种超级电容器技术领域的方法,具体地,涉及超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种具有高功率密度,高能量密度,长使用寿命的新型电能储存装置。由于其具有快速充放电的特性,在混合动力汽车、纯电动力汽车、风力发电、起重机等领域有很大的应用潜力,近年来受到广泛关注。超级电容器的工作原理包括两种不同机制。一种是建立在溶液界面双电层基础上的双电层电容,另一种是基于材料界面的快速法拉第过程的赝电容。双电层电容器储能的机理是正负电荷的快速聚集过程,由于这种静电集合是简单的物理过程,没有发生任何的化学反应以及物质损耗,因此速度快并且性质稳定。传统的双电层电容器材料主要是碳材料。多孔碳材料具有高比表面积,高的电化学稳定性以及较好的导电性能,已经作为商用超级电容器电极材料。基于赝电容的电化学电容器主要以金属氧化物作为电极材料,最早用于电化学电容器的金属氧化物是钌的氧化物。但由于其价格昂贵,并不适合工业化生产。随后,人们对氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化铁等材料的电容性能进行了探索研究,发现这些价格较为低廉的氧化物也可以作为电化学电容器的电极材料实现能量的存储和释放。但由于氧化物本身的导电性差,加上不断的反应过程会逐渐损耗电极材料,在电容经过一定时间使用后会出现明显的性能衰退,因此,单纯使用氧化物作为电极材料目前不能满足超级电容器的使用寿命要求。采用海藻为原材料制备多孔碳材料作为超级电容器的电极材料,最早报道于2009年Advancedxa0FunctionalMaterials,2009,19:1032-1039,文中报道了直接碳化海藻制备超级电容器电极材料的方法。由于海藻本身具有一定的孔道结构和丰富的表面含氧基团,直接碳化得到的海藻碳具有较好的电容性能。但由于直接碳化的海藻碳并不具备足够多的微孔,对电容性能起到作用的表面积受到限制,并且成分仍然主要是无定形碳,导电性较差,使得其在大电流密度下的电荷传递受到制约。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法。本发明通过以下技术方案实现的,本发明提供一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,所述方法包括如下步骤:步骤一,将经活化处理的海藻碳加入过渡金属盐溶液中,均匀混合,得产物A;步骤二,将产物A过滤,干燥,高温煅烧,酸洗,干燥,得最终产物石墨化多孔碳。优选的,步骤一中,所述活化处理包括如下步骤:步骤一,将经高温煅烧后的海藻加入盐酸中,搅拌均匀,过滤,干燥,得海藻碳化粉末;步骤二,将海藻碳化粉末加入碱溶液中,加热,蒸干,高温煅烧,得活化产物;步骤三,将活化产物加入盐酸中,搅拌均匀,过滤,干燥,即可。优选的,步骤一中,所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧1~3小时,煅烧温度为400~900°C。优选的,步骤一中,所述海藻为褐藻属的任一种藻类。优选的,步骤二中,所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧0.5~3小时,煅烧温度为550~900°C。优选的,步骤二中,所述碱溶液为浓度为1~7mol/L的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。优选的,步骤一中,所述过渡金属盐溶液为硝酸盐、硫酸盐、氯盐或草酸盐溶液。优选的,步骤二中,所述高温煅烧为真空或惰性气氛下煅烧0.5~3小时,煅烧温度为600~1000°C。优选的,所述酸洗包括如下步骤:将海藻碳粉末加入强酸溶液中,搅拌,调节pH为7。优选的,所述搅拌时间为0.5~4小时,搅拌温度为60~80°C。与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:(1)本发明采用海藻为原材料,通过活化海藻的方法制备活性海藻碳,并进而原位催化出石墨化纳米结构,最终得到产物多孔石墨化碳;本发明制得的石墨化多孔碳既具有较大的比表面积,良好的导电性,因此在高电流密度下仍有强的能量存储和释放能力。(2)本发明步骤简单,成本低,容易操作,效果明显,具有较好的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1为本发明石墨化多孔碳的透射电镜示意图;图2为本发明石墨化多孔碳的电容性能示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。实施例1本实施例涉及一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,包括如下步骤:步骤一,将30g巨藻,在真空下400°C煅烧1小时,加入1L盐酸(3mol/L)中,搅拌2小时,过滤,干燥,得海藻碳化粉末;步骤二,将3g海藻碳化粉末加入20mlxa0KOH(1mol/L)中,加热100°C至蒸干,450~500°C高温煅烧,得活化产物;步骤三,将上述步骤二得到的活化产物加入1L盐酸(1mol/L)中,搅拌2小时,过滤,100°C干燥,即可得到活化海藻碳。步骤四,取1g上述步骤三得到的活化海藻碳加入0.2mol/L的Ni(NO₃)₂丙酮溶液中,超声处理1小时,得产物A;步骤五,将产物A过滤,80°C干燥,900°C高温煅烧,放入1L的盐酸(1mol/L)清洗,110°C干燥,得最终产物石墨化多孔碳。实施效果:见图1、2所示,其图2中DC表示直接热解的海藻碳;AC表示经过活化处理得到的海藻碳;GAC表示石墨化多孔海藻碳;分别取0.1g活化海藻碳和石墨化多孔海藻碳,按照1:1:8的比例加入测试材料、导电炭黑、粘结剂,辊压成薄膜后冲压成直径为11mm的电极片,烘干后取质量相近的两个电极片组装成电容器,进行充放电、循环伏安、交流阻抗测试。通过测试,活化海藻碳在电流密度为0.1A/g时的比电容值为253F/g,5A/g时的比电容值为150F/g。石墨化多孔碳在0.1A/g和5A/g的电流密度下,比电容值分别为250F/g和197F/g。在大电流密度下,石墨化多孔碳材料的电容性能远远大于活化海藻碳。实施例2本实施例涉及一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,包括如下步骤:步骤一,将30g裙带菜,在真空下600°C煅烧2小时,加入1L盐酸(5mol/L)中,搅拌2小时,过滤,干燥,得海藻碳化粉末;步骤二,将3g海藻碳化粉末加入20mlxa0KOH(4mol/L)中,加热100°C至蒸干,450~800°C高温煅烧,得活化产物;步骤三,将上述步骤二得到的活化产物加入1L盐酸(1mol/L)中,搅拌2小时,过滤,100°C干燥,即可得到活化海藻碳。步骤四,取1g上述步骤三得到的活化海藻碳加入0.5mol/L的Co(NO₃)₂乙醇溶液中,超声处理1小时,得产物A;步骤五,将产物A过滤,80°C干燥,700°C高温煅烧,放入1L的盐酸(1mol/L)清洗,110°C干燥,得最终产物石墨化多孔碳。实施效果:见图1、2所示,其图2中DC表示直接热解的海藻碳;AC表示经过活化处理得到的海藻碳;GAC表示石墨化多孔海藻碳;取0.1g石墨化多孔海藻碳,按照1:1:8的比例加入测试材料、导电炭黑、粘结剂,辊压成薄膜后冲压成直径为11mm的电极片,烘干后取质量相近的两个电极片组装成电容器,进行充放电、循环伏安、交流阻抗测试。通过测试,石墨化海藻碳在电流密度为0.1A/g时的比电容值为269F/g,5A/g时比电容值为188F/g。实施例3本实施例涉及一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法,包括如下步骤:步骤一,将30g海带,在真空下900°C煅烧3小时,加入1L盐酸(2mol/L)中,搅拌2小时,过滤,干燥,得海藻碳化粉末;步骤二,将3g海藻碳化粉末加入20mlNaOH(7mol/L)中,加热100°C至蒸干,450~900°C高温煅烧,得活化产物;步骤三,将上述步骤二得到的活化产物加入1L盐酸(1mol/L)中,搅拌2小时,过滤,100°C干燥,即可得到活化海藻碳。步骤四,取1g上述步骤三得到的活化海藻碳加入0.5mol/L的FeCl₃水溶液中,超声处理1小时,得产物A;步骤五,将产物A过滤,80°C干燥,1000°C高温煅烧,放入1L的盐酸(1mol/L)清洗,110°C干燥,得最终产物石墨化多孔碳。实施效果:见图1、2所示,其图2中DC表示直接热解的海藻碳;AC表示经过活化处理得到的海藻碳;GAC表示石墨化多孔海藻碳;取0.1g石墨化多孔海藻碳,按照1:1:8的比例加入测试材料、导电炭黑、粘结剂,辊压成薄膜后冲压成直径为11mm的电极片,烘干后取质量相近的两个电极片组装成电容器,进行充放电、循环伏安、交流阻抗测试。通过测试,石墨化海藻碳在电流密度为0.1A/g时的比电容值为182F/g。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。