【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及電化學電源材料制備，尤其涉及一種褐煤基超級電容器活性炭電極材料及其制備方法。
技術介紹
1、隨著社會科技的快速發展，能源的消耗也隨之迅速增加，由此而產生的溫室氣體排放成倍增加，造成了嚴重的環境問題。褐煤作為一種低階煤，其煤化程度低，使得其在燃燒過程中會產生大量的二氧化碳、顆粒物和有害氣體，這些物質對大氣和水體會造成污染。除此之外，褐煤的含水量高、熱值低，未經處理直接燃燒對環境的危害巨大。因此，如何通過有效的手段提高褐煤的利用效率并減少其對環境的負面影響尤為關鍵。
2、目前，提高褐煤利用率的處理方法包括褐煤提質分質分級利用技術和煤炭綠色開采和清潔方法等。褐煤提質分質分級利用技術雖然降低了燃煤污染物的排放，但是其技術難度較大，不易存儲和運輸，限制了該技術的應用和推廣。煤炭綠色開采和清潔技術成本相對較高，具有一定的環境風險。經過不斷地探索與研究最終發現，具有較高能量密度和燃燒效率的褐煤在發電領域具有廣泛的應用前景。
3、低階褐煤儲量豐富、價格低廉，并且在活化處理過程中能夠生成高性能的活性炭，具有碳含量低、儲存容量高、水分高的特點，通過將褐煤轉化為活性炭電極片，并將其應用于電化學儲能領域，如作為超級電容器的碳電極，不僅可以提高能源利用效率，還能在一定程度上減少對環境的直接污染。這種轉化和應用的過程推動了儲能領域的發展，對于能源結構的優化和環境的改善具有積極意義。
4、活性炭作為一種多孔碳材料，是當前廣泛使用的超級電容器電極材料。褐煤基活性炭因其高比表面積和良好的導電性，使其適用于超級電容
5、如何優化制備工藝從而改善活性炭孔隙結構并增加其比表面積是當前研究的重點，具有合適孔隙結構的碳電極材料可以提供更多的活性位點，從而提高電解液離子的傳導率，進一步增強電容性能。因此，褐煤基活性炭作為超級電容器電極材料展現出巨大的發展潛力。
6、化學活化法是制備高質量多孔炭常用的方法之一，它是一種生產活性炭的單步技術。相比于物理活化法，化學活化法還具有活化時間快、碳產率相對更高、比表面積和孔隙率更大的優點。在化學活化劑的作用下，活化過程中多孔結構的構建相對容易。目前，化學活化過程中廣泛使用的活化劑包括酸性活化劑、堿性活化劑和中性活化劑。其中，酸性活化劑具有腐蝕設備的風險，且活化效果較差；中性活化劑的成本較高，并且活化劑及其衍生物具有毒性，因此限制了其應用。
7、相比于酸性活化劑和中性活化劑，堿性活化劑不僅活化效果更好，并且在很大程度上避免了有毒性質的危害。孔隙結構的形成是活性炭制備過程中的關鍵步驟，采用堿性活化劑進行活化時，由于活化過程中化學反應的不均勻性或活化劑與原料之間的反應不完全會導致活性炭結構不穩定等問題，影響了活性炭的性能和應用效果。針對上述問題，本專利技術優化了制備工藝，成功制備出具備適宜孔隙結構和高比表面積的煤基活性炭，進一步推動了超級電容器在電化學領域的發展。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的問題，本專利技術提供了一種褐煤基超級電容器活性炭電極材料及其制備方法，本專利技術制備方法簡單，成本低，制備得到的多孔炭具有高比表面積，提高了超級電容器功率密度和循環穩定性，對推動能源結構的優化和環境的改善具有很大的現實意義。
2、為解決上述技術問題，本專利技術提出的技術方案為：
3、一種褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，包括以下步驟：
4、s1、將褐煤原煤粉末采用濃度為1-5mol/l的鹽酸酸洗x2?h，并進行水洗、干燥；然后采用濃度為5-30wt％的氫氟酸酸洗x2?h，并進行水洗、干燥；再采用濃度為1-2mol/l的磷酸鈣溶液加熱脫氧，并進行水洗、干燥，得到預處理褐煤；
5、s2、將所述預處理褐煤與堿性活化劑、去離子水按照1：x4：5-10的質量比攪拌混合均勻，得混合料；
6、s3、將所述混合料在惰性氣氛下進行活化，活化的溫度為x1℃，活化的時間為x3?h；再隨爐冷卻至室溫，得到焙燒產物；
7、s4、將所述焙燒產物進行稀鹽酸酸洗、水洗、干燥，得到所述褐煤基超級電容器活性炭電極材料；
8、所述褐煤基超級電容器活性炭電極材料的比電容為y?f/g，所述y與x1、x2、x3和x4擬合得出下列關系式：
9、y＝a+b·x1+c·x2+d·x3+e·x4–f·x1·x2+g·x1·x3+h·x1·x4+i·x2·x3+j·x2·x4+k·x3·x4
10、–l·x12–m·x22–n·x32–o·x42；
11、其中，-12498.70833≤a≤-8849.075，15.54675≤b≤24.2525，0≤c≤74.67875，
12、305.425≤d≤841.425，821.57333≤e≤1312.7，-0.001167≤f≤0.02375，
13、-0.109≤g≤0.243，-0.224≤h≤0.11，-0.81667≤i≤0.6125，-3.825≤j≤0.62917，
14、-49.5≤k≤0.2，0.01086≤l≤0.016075，0≤m≤0.80698，40.42≤n≤138.6，
15、42.17667≤o≤177.5；650≤x1≤900，20≤x2≤28，0.5≤x3≤3.5，2≤x4≤7.5。
16、該公式是通過一系列正交實驗單因素實驗作為前提，然后通過響應面實驗方法模擬所得，用來預測給定因素的響應水平。
17、上述制備方法中，鹽酸酸洗去除了褐煤中的無機礦物質，如硅、鋁、鐵等，提高了褐煤的燃燒效率；氫氟酸酸洗去除了褐煤中的有機雜質，如腐殖質、木質素等，從而進一步提高褐煤的純度和反應活性；磷酸鈣可以去除酸洗褐煤中的氧化物和氧元素雜質，改善材料的性能和穩定性，從而提高材料的導電性和反應活性；最終經過去離子水洗滌去除褐煤中的酸性物質和磷酸鹽，以減少對后續處理設備的腐蝕，獲得高純度的無氧褐煤。
18、在預處理褐煤與堿性活化劑的混合過程中，去離子水作為溶劑可以促進反應物質之間的充分接觸和混合，確保活化劑能夠均勻地滲透到褐煤的每一個部分，從而提高反應效率；同時去離子水的加入量直接影響到活性炭的孔隙結構，適量的去離子水有助于形成更多的微孔和中孔，水量過多或過少都可能導致孔隙結構的不穩定。
19、上述工藝中，燒結溫度設定在650-900℃之間，是基于褐煤中揮發分的熱解和活化過程的最佳溫度區間所進行設定的；在這個溫度范圍內，褐煤中的揮發分能夠充分釋放，形成豐富的孔隙結構，從而增加比表面積。當燒結溫度低于650℃時，褐煤中的揮發分可能無法完全釋放，導致孔隙結構不發達，并使比表面積較小；而燒結溫度高于900℃時，過高的溫度可能導致已經形成的孔本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為KOH、NaOH、K2CO3、Na2CO3中的一種。
3.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為KOH時，Y＝-12498.70833+24.2525X1+74.67875X2+505.95333X3+905.95X4–0.02375X1·X2+0.061X1·X3+0.11X1·X4+0.6125X2·X3–3.825X2·X4–34.9X3·X4–0.016075X12–0.80698X22–99.44667X32–82.04667X42，其中，700≤X1≤800，20≤X2≤28，1.5≤X3≤2.5，4.5≤X4≤5.5。
4.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為NaOH時，Y＝-12493.07+24.07743X1+2.29458X2+357.18667X3
5.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為K2CO3時，Y＝-8849.075+15.54675X1+841.425X3+1312.7X4+0.018X1·X3–0.059X1·X4–6.5X3·X4–0.01086X12–138.6X32–177.5X42，其中650≤X1≤750，X2＝24，2.5≤X3≤3.5，2≤X4≤4。
6.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為Na2CO3時，Y＝-11619.0675+22.80590X1+305.425X3+823.685X4–0.109X1·X3+0.017X1·X4+0.2X3·X4–0.013192X12–40.42X32–103.62X42，其中，800≤X1≤900，X2＝24h，2≤X3≤3，3.5≤X4≤4.5。
7.根據權利要求1所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，步驟S1中，所述褐煤原煤粉末的制備方法包括以下步驟：將褐煤進行破碎、研磨、過篩，得到褐煤原煤粉末；所述褐煤為河北靈壽褐煤；所述褐煤的灰分含量為27-30％。
8.根據權利要求1所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，步驟S1中，所述加熱脫氧的加熱溫度為60-80℃，脫氧時間為20-28h。
9.根據權利要求1所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，步驟S3中，所述惰性氣體為氮氣或氬氣；并以2-5℃/min的升溫速率升溫至X1℃；
10.一種根據權利要求1-9中任一項所述的制備方法制備得到的褐煤基超級電容器活性炭電極材料。
...【技術特征摘要】
1.一種褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為koh、naoh、k2co3、na2co3中的一種。
3.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為koh時，y＝-12498.70833+24.2525x1+74.67875x2+505.95333x3+905.95x4–0.02375x1·x2+0.061x1·x3+0.11x1·x4+0.6125x2·x3–3.825x2·x4–34.9x3·x4–0.016075x12–0.80698x22–99.44667x32–82.04667x42，其中，700≤x1≤800，20≤x2≤28，1.5≤x3≤2.5，4.5≤x4≤5.5。
4.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，其特征在于，所述堿性活化劑為naoh時，y＝-12493.07+24.07743x1+2.29458x2+357.18667x3+821.57333x4+0.001167x1·x2+0.243x1·x3–0.224x1·x4–0.816667x2·x3+0.629167x2·x4–49.5x3·x4–0.014203x12–0.13876x22–82.67667x32–42.17667x42，其中，750≤x1≤850，20≤x2≤28，0.5≤x3≤1.5，6.5≤x4≤7.5。
5.根據權利要求2所述的褐煤基超級電容器活性炭電極材料的制備方法，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：羅紹華，王慶，田新茹，閆繩學，
申請(專利權)人：東北大學秦皇島分校，
類型：發明
國別省市：
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