一種氮、硫共負載活性炭電極的制備方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:本發(fā)明涉及一種氮、硫共負載活性炭電極的制備方法，是利用廢棄纖維板通過炭化和活化兩步制得含氮活性炭，再經(jīng)過負載硫元素從而制得超級電容器的電極材料，屬于林產(chǎn)生物質(zhì)資源化學(xué)加工的技術(shù)領(lǐng)域。廢棄纖維板中含有脲醛樹脂，這種膠黏劑富含氮元素，本發(fā)明充分利用了兩種雜原子官能團結(jié)合的優(yōu)勢，制備氮、硫共負載活性炭電極材料，改善了電極材料在電解液中的浸潤性，引進硫元素進一步增大了贗電容，進而增大了活性炭電極材料的比電容，使其作為超級電容器電極材料具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能.
[0002]技術(shù)背景:雙電層電容器是一種新型儲能裝置，具有功率密度高，比電容大，漏電流小，電壓記憶性能好，充放電過程簡單以及循環(huán)壽命長等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于存儲器的后備電源、電動汽車和太陽能等清潔能源系統(tǒng)。然而，雙電層電容器的功率性能和電容量較之于充電電池仍然有不小差距，因此它們在大電容量方面的應(yīng)用仍然存在問題。與此同時，活性炭材料比電容高，循環(huán)壽命長，且資源豐富、結(jié)構(gòu)多樣、成本適中，電化學(xué)性能穩(wěn)定，是超級電容器領(lǐng)域最為活躍的研究方向，也是目前已實現(xiàn)商業(yè)化的雙電層電容器電極材料。因此，改善活性炭電極的電化學(xué)性能是進一步發(fā)展雙電層電容器的重要途徑。
[0003]超級電容器分為雙電層電容和法拉第電容，雙電層電容器利用雙電層來存儲能量，即電子或離子在電極/溶液界面電荷的定向排列形成電荷對峙，從而產(chǎn)生雙電層電容。而法拉第電容是在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容，在電極的比表面積相同的情況下，由于法拉第贗電容器的電容在電極中是由無數(shù)微等效電容電路的網(wǎng)絡(luò)形式形成的，其電容量直接與電極中的法拉第電量有關(guān)，所以法拉第贗電容器的比電容一般是雙電層電容器的數(shù)十倍。
[0004]目前，金屬氧化物/氫氧化物、導(dǎo)電聚合物和表面雜原子官能團等活性物質(zhì)可以提供法拉第電容，在活性炭表面引入雜原子是增強雙電層電容器電容量常用的方法，雜原子的引入能夠增強活性炭表面的極性，改善活性炭對水相電解質(zhì)溶液的吸引力，此外，在炭材料中引入氮、硫等官能團，利用此類官能團在充放電過程中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)可以引入額外的贗電容，進一步提高碳材料的充放電性能。然而，單一雜原子官能團負載碳材料已不能滿足當前高電容量電子設(shè)備的需求，而兩種不同的雜原子官能團共同作用于活性炭電極發(fā)生法拉第反應(yīng)，能夠激發(fā)更大的贗電容，因此不同雜原子官能團共同負載于活性炭來制備電極材料的研究已成為趨勢。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
:本發(fā)明的目的，是為了在單一雜原子負載的基礎(chǔ)上進一步提高活性炭電極材料的電容量，提供了一種由含氮活性炭經(jīng)硫改性得到氮、硫共負載活性炭電極的制備方法。本發(fā)明的基本內(nèi)容包括以下幾個方面:
[0006]1.以廢棄纖維板為原料，在炭化爐中炭化(升溫速率10°C /min,終溫500°C，保溫I小時)，冷卻后取出炭化物，粉碎，過35-65目篩；
[0007]2.將固體KOH粉末與烘干后的碳化物按照3: I的比例混合于氧化鋁舟中，置于管式爐中活化，在氮氣保護下升溫至800°C活化I小時，制得含氮活性炭粗樣；
[0008]3.含氮活性炭粗樣用0.lmol/L的鹽酸煮沸0.5小時，再用蒸餾水洗至中性，在烘箱中烘干，得到含氮活性炭；
[0009]4.含氮活性炭進行補充研磨，然后將硫磺粉與含氮活性炭按照1: 10的比例混合于氧化鋁舟中，置于管式爐中進行硫的負載，在氮氣保護下升溫至400°C，保溫兩小時，待冷卻后取出，得到氮、硫共負載活性炭(性能表征為:氮含量:1.38%，硫含量:1.70%，比表面積:1750m2/g ;孔容:1.05cm3/g，微孔容積:0.84cm3/g)；
[0010]5.氮、硫共負載活性炭經(jīng)瑪瑙研缽磨細至粒徑小于30 μm的粉末，將所得活性炭與乙炔黑、PTFE(60%乳液)按質(zhì)量比87: 10: 3混合，加入適量無水乙醇，在超聲波中混合，于烘箱中烘至半乳狀，壓制成直徑為Icm的圓片，并在手動油壓機上將其壓覆于等大的集流體泡沫鎳上，然后制成電極并真空烘干待用。以堿性電池尼龍膜作隔膜，以7mol/L的KOH溶液作電解液，將質(zhì)量相近的兩片電極組裝成雙電層模擬電容器，使用CHI660a電化學(xué)工作站作循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗及開路電壓保持等電化學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)所制備的活性炭電極顯示出良好的電化學(xué)性能。(電化學(xué)測試結(jié)果:比電容量:263F/g ;充放電效率96.8% ;5A下的比電容的保持率:85.7%，具體為222F/g，高于負載硫元素之前的活性炭電極電容器的241F/g。)
【主權(quán)項】
1.一種氮、硫共負載活性炭電極的制備方法，其特征在于:利用廢棄纖維板中的脲醛樹脂作為氮源制得含氮活性炭電極，然后經(jīng)過硫改性，得到氮、硫共負載活性炭，然后組裝雙電層電容器。2.如權(quán)利要求1所述的氮、硫共負載活性炭電極的制備方法，其特征在于:將干燥的氮、硫共負載活性炭粉末、乙炔黑和60%的PTFE乳液按質(zhì)量比87: 10: 3充分混合，在數(shù)顯型電熱板上壓平，在手動油壓機上以1MPa壓力壓覆于等大的集流體泡沫鎳上，制成活性炭電極并烘干待用。3.如權(quán)利要求1所述的氮、硫共負載活性炭電極的制備方法，其特征在于:充分利用廢棄纖維板中的膠黏劑含氮的優(yōu)點，可直接制備含氮活性炭，成本低，又能達到廢物利用的目的.4.如權(quán)利要求1所述的氮、硫共負載活性炭電極的制備方法，其特征還包括每3克所得富氮活性炭用0.3g的硫磺粉末改性，改性過程在管式爐中進行，并進行氮氣保護。5.如權(quán)利要求4所述，其特征在于:所用硫磺粉末為純度大于99%的升華硫粉末，改性之前用瑪瑙研缽將升華硫粉末與富氮活性炭粉末的混合物進行補充研磨，改性所用容器為氧化鋁舟。6.如權(quán)利要求4所述，其特征在于:改性溫度為400°C，保溫時間為兩小時，升溫速率.5°C /min，通氮氣速率 10ml/min。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種硫、氮共負載活性炭電極的制備方法，是利用廢棄纖維板通過炭化和活化制得富氮活性炭，再經(jīng)過負載硫元素從而制得超級電容器的電極材料。廢棄纖維板中含有脲醛樹脂，富含氮元素，本發(fā)明充分利用了氮、硫兩種雜原子官能團的結(jié)合，制備氮硫共負載活性炭電極材料，不僅改善了電極材料在電解液中的浸潤性，而且通過引入硫元素進一步增大贗電容，進而有效增大活性炭電極材料的比電容，使其作為超級電容器電極材料具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能。
【IPC分類】H01G11/86
【公開號】CN105140051
【申請?zhí)枴緾N201510628926
【發(fā)明人】金小娟, 任汝全, 尚童鑫, 范福利, 張驥
【申請人】北京林業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月29日