一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法技術

本發明專利技術公開一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法，包括如下步驟：第一步：將淀粉基生物質原料低溫炭化處理，炭化料用鹽酸、硝酸、去離子水分次洗滌，去除無機雜質；第二步：將氫氧化物配置成水溶液，與第一步所得淀粉基炭化料混合，浸漬，烘干；第三步：將第二步浸漬了堿溶液的淀粉基炭化料顆粒置于煅燒爐中，在空氣氣氛下煅燒活化，自然降溫至室溫；第四步：將活化過后的活性炭材料經過酸洗，水洗及烘干后，無需研磨即得粉狀超級電容器活性炭材料。本發明專利技術原料來源廣泛，價格便宜，工藝簡單，收率高，產品粒徑均勻，球徑及比表面積可控，便于工業化實施。

Preparation method of starch based super capacitor activated carbon material

The invention discloses a preparation method of a starch based super capacitor active carbon material, which comprises the following steps: the first step: starch based biomass materials of low temperature carbonization, using hydrochloric acid, nitric acid, deionized water washing material carbonization, removal of inorganic impurities; the second step: the configuration of hydroxide aqueous solution, and the first step the starch base of carbonized material mixing, dipping, drying; the third step: second step carbonization material impregnated with starch granules in the calcining furnace alkali solution, activated calcined in air atmosphere, natural cooling to room temperature; the fourth step: the activity of carbon materials after the after pickling, washing and drying, no for grinding to obtain powdery activated carbon as supercapacitor materials. The invention has the advantages of wide material source, low cost, simple process, high yield, uniform particle size, controllable ball diameter and specific surface area, and convenient for industrialized implementation.

【技術實現步驟摘要】
一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法
本專利技術涉及一種淀粉基超級電容活性炭及其制備方法，具體涉及淀粉基原料低溫碳化預處理和高溫堿法活化制備超級電容活性炭材料的方法。
技術介紹
超級電容器具有充電速度快、功率密度高、壽命長等特點，是解決電動汽車用動力電源最有效途徑。它既可以作為電動車輛運行的唯一動力電源，也可以作為電動車輛運行的輔助動力電源。超級電容器還可用于光伏電池蓄電、電網穩定、無線電發射等功率器件，以及坦克、火箭牽引的啟動能源；美國、歐洲、日本等也正在進行超級電容器的研究。淀粉成分經過低溫熱塑碳化工藝之后，得到多孔富氧的“鋼筋-水泥”結構，有利于下一步的堿金屬離子充分進入，在活化過程中充分均勻地造孔。淀粉基活性炭原料價格低廉，易得，結構理想適合作為超級電容器電極材料，其具有大批量工業生產條件與價值，同時也是很有潛力的解決電動汽車用動力電源問題的材料。其作為超級電容器電極材料具有超長的循環壽命，且具有良好的導電率和倍率性能。目前，淀粉基活性炭的比表面積，總孔容積較低，電化學性能一般。馬小豐等人研究發現，利用磷酸-水蒸氣復合活化法得到的活性炭電極材料，在活化溫度850℃、活化時間2h條件下，制得的淀粉基活性炭材料的比表面積為1438m2/g，比電容僅為150F/g。廣西師范大學鐘玉蘭等人通過KOH活化法制得比表面積為3332m2/g，孔容積為1.585cm3/g的活性炭材料，在370mA/g的極小電流密度下，其比電容僅為238F/g。使用ZnCl2-CO2聯用活化得到的活性炭材料僅有1600-1900m2/g的比表面積，且比電容僅為130-140F/g。LiyunPang等人通過水熱碳化及磷酸活化制備的到淀粉基活性炭材料，其具有1239m2/g比表面積及1.4cm3/g的總孔容積，作為超級電容器電極材料具有144F/g的比電容，19.9Wh/kg的能量密度。QiangRuibin等人通過水熱碳化制備而得淀粉基活性炭材料，具有245F/g的比電容且3000次循環之后沒有明顯的電容衰減。XYang等人以KOH為活化劑，Na2CO3作為模板劑制得的活性炭比表面積為1034m2/g，在2A/g的電流密度下，其比電容可達到234F/g，且在20A/g的電流密度下仍能保持有91％的比電容。綜上所述，前人所制備得到的活性炭材料比電容較低，僅為100-300F/g，且無法得到具有理想特定結構的活性炭材料，僅是使用了不同的化學、物理、或化學物理聯用的方法最后得到了幾種結構的活性炭材料。
技術實現思路
專利技術目的：本專利技術所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種制備過程步驟簡單，產品電容性能高，制造成本低的淀粉基超級電容活性炭材料制備方法。為了解決上述技術問題，本專利技術公開了一種淀粉基超級電容活性炭材料及其制備方法，包括如下步驟：第一步：將淀粉基生物質原料低溫炭化處理，炭化料用1mol/L的鹽酸溶液和硝酸溶液、去離子水分次洗滌，去除無機雜質；第二步：將氫氧化物和去離子水配置成溶液，與第一步所得淀粉基炭化料混合，浸漬，烘干；第三步：將第二步浸漬了堿溶液的淀粉基炭化料顆粒置于煅燒爐中，在空氣氣氛下煅燒活化，反應結束后，自然降溫至室溫；第四步：將活化過后的活性炭材料經過酸洗，水洗及烘干后，無需研磨即得粉狀超級電容器活性炭材料。其中，第一步中，所述的淀粉基生物質原料為任意淀粉質原料，包括但不限定大米、小麥、橡子粉等。其中，第一步中，所述的低溫炭化處理，以1℃/min-10℃/min的升溫速率升溫至150-300℃，保溫60-120min。其中，第二步中，所述的氫氧化物是氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化鈣中的任意一種，溶液質量濃度為5-50％。其中，第二步中，淀粉基炭化料與氫氧化物的質量比為1:(1～5)。其中，第二步中，浸漬時間保持1-12小時，烘干溫度為350℃-400℃。其中，第三步中，煅燒活化是在空氣氣氛下，以10℃/min-20℃/min升溫速率升溫至500-900℃，保溫30-120min。其中，所制備的超級電容器用淀粉基活性炭材料，得率達30-60％，比表面積2500～3300m2/g，2-5nm的小中孔達60-90％，表面含氧官能團含量達到5-20％，其作為超級電容器電極材料比電容達到300-500F/g。有益效果：1、采用淀粉基為原料經低溫炭化和堿活化二步法制備超級電容活性炭，原料來源廣，成本低、無需研磨即可得到顆粒度很細的活性炭產品，便于工業化實施。2、淀粉基活性炭材料得率高，達30-60％，比表面積2500～3300m2/g，比電容大，達到300-500F/g，是傳統超級電容器能量密度的6-8倍。其循環10000次之后仍能保持95％的比電容量，具有超長的循環壽命，且具有良好的導電率和倍率性能。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術做更進一步的具體說明，本專利技術的上述和/或其他方面的優點將會變得更加清楚。圖1為實施例2制備的活性炭N2吸附-脫附等溫線圖。圖2為不同活化溫度下制備的活性炭循環伏安曲線圖。圖3為不同活化溫度下制備的活性炭充放電曲線圖。具體實施方式實施例1(1)原料炭化：將淀粉基生物質原料在升溫速率為1℃/min，終溫150℃下炭化處理60min得到炭化料，用1mol/L的鹽酸、硝酸溶液及去離子水分次洗滌，去除無機雜質。(2)堿溶液的浸漬處理：氫氧化鉀與去離子水配置成質量濃度為5％的堿溶液，按照質量比1︰1的比例，將炭化得到的炭化料與堿溶液混合，浸漬1小時后，在高溫爐中350℃下烘干，得堿炭混合料。(3)活化：將堿炭混合料置于煅燒爐，在空氣氣氛下以10℃/min的升溫速率升溫至煅燒終溫500℃，保溫30min后自然降溫。(4)洗滌回收：活化完成后，將爐溫降至室溫，將活化過后的活性炭材料經過酸洗，水洗，80℃烘干6h后，無需研磨，得到具有高比表面積、豐富表面含氧官能團和特定孔徑分布的粉狀超級電容器活性炭材料。超級電容活性炭的得率60％，比表面積2500m2/g，總孔容為1.6cm3/g，2-5nm小中孔比率為60％，表面含氧官能團含量5％，比電容300F/g。實施例2(1)原料炭化：將淀粉基生物質原料在升溫速率為10℃/min，終溫200℃下炭化處理60min得到炭化料，用1mol/L的鹽酸、硝酸溶液及去離子水分次洗滌，去除無機雜質。(2)堿溶液的浸漬處理：氫氧化鉀配置成質量濃度為50％的堿溶液，按照質量比1︰4的比例，將炭化料與堿溶液混合，浸漬12小時后，在高溫爐中350℃下烘干，得堿炭混合料。(3)活化：將堿炭混合料置于煅燒爐內，在空氣氣氛下以10℃/min的升溫速率升溫至煅燒終溫800℃，保溫90min并自然降溫。(4)洗滌回收：活化完成后，將爐溫降至室溫，將活化過后的活性炭材料經過酸洗，水洗及烘干后，無需研磨，即可得到具有超高比表面積、大量的表面含氧官能團、特定孔徑分布的粉狀超級電容器活性炭材料。超級電容活性炭的得率45％，比表面積3300m2/g，2-5nm小中孔比例為90％，表面含氧官能團含量達到20％，比電容500F/g。實施例3(1)原料炭化：將淀粉基生物質原料在升溫速率為10℃/min，終溫300℃下炭化處理80min得到炭化料，用1mol/L的鹽酸、硝酸溶液及去離子水分次洗滌本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：第一步：將淀粉基生物質原料低溫炭化處理，炭化料用鹽酸、硝酸、去離子水分次洗滌，去除無機雜質；第二步：將氫氧化物配置成水溶液，與第一步所得淀粉基炭化料混合，浸漬，烘干；第三步：將第二步浸漬了堿溶液的淀粉基炭化料顆粒置于煅燒爐中，在空氣氣氛下煅燒活化，自然降溫至室溫；第四步：將活化過后的活性炭材料經過酸洗，水洗及烘干后，無需研磨即得粉狀超級電容器活性炭材料。

【技術特征摘要】
1.一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：第一步：將淀粉基生物質原料低溫炭化處理，炭化料用鹽酸、硝酸、去離子水分次洗滌，去除無機雜質；第二步：將氫氧化物配置成水溶液，與第一步所得淀粉基炭化料混合，浸漬，烘干；第三步：將第二步浸漬了堿溶液的淀粉基炭化料顆粒置于煅燒爐中，在空氣氣氛下煅燒活化，自然降溫至室溫；第四步：將活化過后的活性炭材料經過酸洗，水洗及烘干后，無需研磨即得粉狀超級電容器活性炭材料。2.根據權利要求1所述的一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法，其特征在于，第一步中，所述的淀粉基原料為任意淀粉質原料，包括但不限定大米、小麥、橡子淀粉等。3.根據權利要求1所述的一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法，其特征在于，第一步中，所述的低溫炭化處理，以1℃/min-10℃/min的升溫速率升溫至150-300℃，保溫60-120min。4.根據權利要求1所述的一種淀粉基超級電容活性炭材料的制備方法，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：荀波，童德軍，
申請(專利權)人：南京正森環保科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32