超級電容器用椰殼纖維基活性炭及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，包括將預處理后的椰殼纖維粉碎，以2?5℃/min的速率升溫至700?750℃，保溫1?1.5h得到碳化產物；將所得碳化產物研磨，過篩，碳化產物與KOH按照質量比為1:2～1:5混合均勻；以3?5℃/min的速率升溫至800?850℃，保溫1?1.5h得到活化產物；將得到的活化產物進行水洗、酸洗、再水洗至pH為6?7，干燥后制備出活性炭。采用本發明所提供的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材料的制備方法，以椰殼纖維為原料，無需多次活化，工藝簡單且成本低；所制備的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材料具有高比表面積和高比容量。
【專利說明】
超級電容器用椰殼纖維基活性炭及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及多孔炭材料技術，尤其涉及一種適用于超級電容器的椰殼纖維基活性 炭及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 超級電容器由于具有高功率、高能量、長循環壽命及安全可靠等特點，不僅應用于 大功率充放電領域，還應用在電子產品、內存備份系統、移動設備及制動過程中產生的能量 回收系統等，尤其是能在城市公交和垃圾運輸車的動力傳動系統中提供輔助能量，從而減 少頻繁制動-啟動對車輛里程造成的限制。在未來的電動汽車等交通工具的能源存儲系統 方面，超級電容器與電池混合動力系統才能夠滿足汽車啟動、爬坡、加速等高功率輸出場合 的需要，因此制備具有更高功率、高能量密度的電極材料顯得尤為重要。
[0003]超級電容器通常采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的兩個多孔炭電極 之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解 質溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成雙電 層。超級電容器的電容性能主要依賴于電極的比表面積、孔結構、孔容和導電性等因素。傳 統生物質(煤或石油等衍生物）制備高比表面(>2000m 2 · g^1)的活性炭已應用在商業化的雙 電層超電容器中。但是這種活性炭材料大多以微孔為主，高倍率充放電性能還有待提高。同 時已有相關報道椰殼用于制備活性炭材料。但對于來源更為豐富的椰殼纖維，主要成分為 纖維素、半纖維素、木質素和少量果膠，從理論上來講椰殼纖維可用于制備活性炭的原料。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明提供了一種超級電容器用椰殼纖維基活性炭，解決了現有的超 級電容器用活性炭電極材料不能同時具有高比表面積和高比容量的問題。
[0005] 本發明采用的技術手段如下：超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，包括 以下步驟：（1)將預處理后的椰殼纖維粉碎，在惰性氣體保護下以2-5 Γ/min的升溫速率升 溫至700-750°C，在700-750°C的條件下保溫l_1.5h得到碳化產物；（2)將步驟（1)所得碳化 產物研磨，過篩，碳化產物與KOH按照質量比為1:2~1:5混合均勻;在惰性氣體保護下，以3-5°C/min的升溫速率升溫至800-850°C，在800-850°C的條件下保溫l_1.5h得到活化產物；
[3] 將步驟(2)得到的活化產物進行水洗、酸洗、再水洗至pH為6-7,干燥后制備出超級電容 器用椰殼纖維基活性炭。
[0006] 優選地，將預處理后的椰殼纖維粉碎，在惰性氣體保護下以:TC/min的升溫速率升 溫至700°C，在700°C的條件下保溫Ih得到碳化產物；（2)將步驟（1)所得碳化產物研磨，過 篩，碳化產物與KOH按照質量比為1:4混合均勻，在惰性氣體保護下，以：TC/min的升溫速率 升溫至850°C，在850°C的條件下保溫Ih得到活化產物；（3)將步驟(2)得到的活化產物進行 水洗、酸洗、再水洗至PH為6-7,干燥后制備出超級電容器用椰殼纖維基活性炭。
[0007] 優選地，步驟（1)中預處理為:將椰殼纖維置于NaOH溶液中浸泡，后水洗滌至中性， 烘干。
[0008]優選地，步驟(2)的過篩目數為100目。
[0009 ]優選地，步驟(3)中的酸洗選用濃度為2 %的鹽酸。
[0010]另一方面，還提供了超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法制備而得超級電 容器用椰殼纖維基活性炭。
[0011 ] 優選地，活性炭平均孔徑為2 · 2nm。
[0012] 采用本發明所提供的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材料的制備方法，以椰殼纖 維為原料，一方面;對椰殼纖維進行預處理，除掉果膠及雜質；另一方面，將碳化和活化工藝 參數優化，無需多次活化，工藝簡單且成本低。所制備的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材 料的比表面積高達2898m 2 · g<，比容量為266.32F g<，原料來源豐富，適合商業化推廣應 用。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明實施例3制備的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的吸脫附等溫曲線 和孔徑分布圖；
[0014] 圖2為本發明實施例3制備的超級電容器用椰殼纖維基活性炭制作成超級電容器 在200mV/s掃速下的循環伏安圖和lA/g電流密度下的充放電曲線圖；
[0015] 圖3為本發明實施例3制備的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0016] 以下對本發明的原理和特征進行描述，所舉實施例只用于解釋本發明，并非用于 限定本發明的范圍。
[0017] 本發明選用的椰殼纖維介于椰子外皮和椰殼之間，含有纖維素36%_43%，木質素 28 % -36 %，半纖維素31 % -36 %，果膠3 % -4 %以及其他雜糖、礦物質類等，由于纖維本身富 含管狀通道，為電解液中的離子擴散提供了通道，可以在快速充放電時發揮重要作用。但在 炭化活化過程中，在不破壞管狀通道且控制微孔和中孔比例是個難題，小于〇.5nm的孔通常 被認為孔徑太小而難以形成雙電層，理想的微孔材料尺寸應略大于去溶劑化離子從而離子 可以順利通過微孔。但是僅有微孔的碳材料會增加等效電阻從而降低功率密度。在相對較 大的孔中改進離子傳質能力，豐富的大孔和中孔相結合材料可能會表現出較高的倍率性 能。但是，這種材料由于比表面較低和活性位少導致雙電層電容器能量密度減小。因此，本 發明豈在制備出一種超級電容器用椰殼纖維基活性炭，具有高比表面積和高比容量。
[0018] 實施例1:超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法包括以下步驟：
[0019] (1)首先將椰殼纖維置于質量分數為1 %的NaOH溶液中浸泡48小時，用蒸餾水洗滌 至中性，放置烘箱中調制110°c烘干。干燥后粉碎，取IOg置于封閉式爐腔內，在惰性氣體N 2 保護氣氛下，以3°C/min的速率升溫至700°C，在700°C的條件下保溫1.5h得到碳化產物；
[0020] (2)將步驟（1)所得碳化產物2g與4g KOH活化劑研磨混合均勻；后所得到的混合物 在惰性保護氣氛下(N2)，升溫速率為3°C/min升溫至800°C，在850°C的條件下保溫Ih得到活 化產物；
[0021] (3)將步驟(2)得到的活化產物進行水洗、2%稀鹽酸洗滌、再水洗至pH為6-7;干 燥，制備出超級電容器用椰殼纖維基活性炭。
[0022]實施例2:超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法包括以下步驟：
[0023] (1)首先將椰殼纖維置于質量分數為2%的NaOH溶液中浸泡48小時，用蒸餾水洗滌 至中性，放置烘箱中調制110°c烘干，干燥后粉碎，取IOg置于封閉式爐腔內，在惰性氣體保 護氣氛下，以3°C/min的速率升溫至700°C，在700°C的條件下保溫1.5h得到碳化產物；
[0024] (2)將步驟（1)所得碳化產物2g與6gK0H活化劑研磨混合均勻；后所得到的混合物 在惰性N2保護氣氛下，升溫速率為3°C/min升溫至850°C，在850°C的條件下保溫Ih得到活化 產物；
[0025] (3)將步驟(2)得到的活化產物進行水洗、2%稀鹽酸洗滌、再水洗至pH為6-7;干 燥，制備出超級電容器用椰殼纖維基活性炭。
[0026]實施例3:超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法包括以下步驟：
[0027] (1)首先將椰殼纖維置于質量分數為3 %的NaOH溶液中浸泡48小時，用蒸餾水洗滌 至中性，放置烘箱中調制110°c烘干，干燥后粉碎，取IOg置于封閉式爐腔內，在惰性氣體N2 保護氣氛下，以3°C/min的速率升溫至700°C，在700°C的條件下保溫Ih得到碳化產物；
[0028] (2)將步驟（1)所得碳化產物2g與SgKOH活化劑研磨混合均勻；后所得到的混合物 在惰性保護氣氛下(N2)，升溫速率為3°C/min升溫至850°C，在850°C的條件下保溫Ih得到活 化產物；
[0029] (3)將步驟(2)得到的活化產物進行水洗、2%稀鹽酸除雜、再水洗至pH為6-7;干 燥，制備出超級電容器用椰殼纖維基活性炭。
[0030] 實施例4:超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法包括以下步驟：
[0031] 超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法包括以下步驟：
[0032] (1)首先將椰殼纖維置于質量分數為4%的NaOH溶液中浸泡48小時，用蒸餾水洗滌 至中性，放置烘箱中調制110°c烘干，干燥后粉碎，取IOg置于封閉式爐腔內，在惰性氣體保 護氣氛下，以3°C/min的速率升溫至700°C，在700°C的條件下保溫Ih得到碳化產物；
[0033] (2)將步驟（1)所得碳化產物2g與IOg KOH活化劑固體研磨混合均勻；后所得到的 混合物在犯保護氣氛下，升溫速率為3°C/min升溫至850°C，在850°C的條件下保溫Ih得到活 化產物；
[0034] (3)將步驟（2)得到的活化產物進行水洗、2%稀鹽酸洗滌、再水洗至pH為6-7;干 燥，制備出超級電容器用椰殼纖維基活性炭。
[0035]對比例:取未經過預處理的椰殼纖維作為原料，采用實施例三的步驟進行實驗，制 備出的超級電容器用椰殼纖維基活性炭性能遠不如實施例三的活性炭。
[0036] 本發明采用本發明方法制備的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材料進行各項性 能測試:其中實施例2的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的掃描電鏡圖如圖1;比表面積和 孔徑分布如圖2;電容性能如圖3,實施例1-4的實驗測試結果如表1。從實驗結果來看，實施 例三的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材料的比表面積高達2898m 2 · g<，比容量為 266.32〇
[0037] 表 1
[0039] 綜上所述，采用本發明所提供的超級電容器用椰殼纖維基活性炭材料的制備方 法，以椰殼纖維為原料，一方面;對椰殼纖維進行預處理，除掉果膠及雜質；另一方面，將碳 化和活化工藝參數優化，無需多次活化，工藝簡單且成本低。所制備的超級電容器用椰殼纖 維基活性炭材料的比表面積高達2898m 2 · g<，比容量為266.32F g'原料來源豐富，適合商 業化推廣應用。
[0040] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
【主權項】
1. 超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 將預處理后的椰殼纖維粉碎，在惰性氣體保護下以2-5°C/min的升溫速率升溫至 700-750°C，在700-750°C的條件下保溫1-1.5h得到碳化產物； (2) 將步驟（1)所得碳化產物研磨，過篩，碳化產物與KOH按照質量比為1:2~1:5混合均 勻；在惰性氣體保護下，以3-5°C/min的升溫速率升溫至800-850°C，在800-850°C的條件下 保溫1-1.5h得到活化產物； (3) 將步驟(2)得到的活化產物進行水洗、酸洗、再水洗至pH為6-7,干燥后制備出超級 電容器用椰殼纖維基活性炭。2. 根據權利要求1所述的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，其特征在于，包 括以下步驟： 將預處理后的椰殼纖維粉碎，在惰性氣體保護下以：TC/min的升溫速率升溫至700°C， 在700°C的條件下保溫Ih得到碳化產物； (2) 將步驟（1)所得碳化產物研磨，過篩，碳化產物與KOH按照質量比為1:4混合均勻，在 惰性氣體保護下，以3°C/min的升溫速率升溫至850°C，在850°C的條件下保溫Ih得到活化產 物； (3) 將步驟(2)得到的活化產物進行水洗、酸洗、再水洗至pH為6-7,干燥后制備出超級 電容器用椰殼纖維基活性炭。3. 根據權利要求1或2所述的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，其特征在 于，所述步驟(1)中預處理為:將椰殼纖維置于NaOH溶液中浸泡，后水洗滌至中性，烘干。4. 根據權利要求3所述的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，其特征在于:所 述步驟(2)的過篩目數為100目。5. 根據權利要求4所述的超級電容器用椰殼纖維基活性炭的制備方法，其特征在于:所 述步驟(3)中的酸洗選用濃度為2 %的鹽酸。6. 超級電容器用椰殼纖維基活性炭，其特征在于:根據權利要求1或2所述的超級電容 器用椰殼纖維基活性炭的制備方法制備而得。7. 根據權利要求6所述的超級電容器用椰殼纖維基活性炭，其特征在于:所述活性炭平 均孔徑為2.2nm。
【文檔編號】C01B31/12GK105923634SQ201610302176
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】陳永
【申請人】海南大學