基于稻殼灰制備用于高性能電化學(xué)超級(jí)電容器的納米分級(jí)孔碳材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于稻殼灰制備用于高性能電化學(xué)超級(jí)電容器的納米分級(jí)孔碳材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源的需求日益增加，大量使用煤碳、石油、天然氣、化學(xué)能、核燃料等作為能源的供給，化石燃料的快速消耗造成環(huán)境污染加劇。如今人們急迫地需要一種清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的能源來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)社會(huì)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的需求。在能源利用的過(guò)程中，能量的存儲(chǔ)是不可缺少的技術(shù)，被越來(lái)越多科研工作者所關(guān)注?，F(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域中，最實(shí)用和有效的儲(chǔ)能技術(shù)主要有超級(jí)電容器、燃料電池、以及二次電池。目前，新型儲(chǔ)能器件超級(jí)電容器因其高的充放電效率、具有長(zhǎng)的循環(huán)壽命、高的功率密度與能量密度、良好的低溫特性，博取了眾多人的眼球。
[0003]目前，能量密度較新型儲(chǔ)能超級(jí)電容器應(yīng)用成本較高、功率密度低，限制了超級(jí)電容器的推廣與應(yīng)用。為了解決這些問(wèn)題需要開(kāi)發(fā)一種成本廉價(jià)、性能優(yōu)異的電極材料。在現(xiàn)階段我們所研究的電極材料中，碳材料成本低廉、來(lái)源廣泛、比表面積高，且有良好的導(dǎo)電性、電容性及穩(wěn)定性成為最具有應(yīng)用潛力的超級(jí)電容器電極材料。因此，選擇一種來(lái)源廣泛，產(chǎn)量豐富且價(jià)格廉價(jià)的前驅(qū)體，通過(guò)控制反應(yīng)參數(shù)制備出具有高比電容、高的率性能及良好的循環(huán)穩(wěn)定性的碳基材料，對(duì)于超級(jí)電容器工業(yè)化的推廣具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決稻殼灰作為一種廉價(jià)易得，來(lái)源十分廣泛的農(nóng)業(yè)廢棄物，多數(shù)被廢棄處理，不僅造成資源浪費(fèi)，并且污染環(huán)境的問(wèn)題，而提供基于稻殼灰制備用于高性能電化學(xué)超級(jí)電容器的納米分級(jí)孔碳材料的方法。
[0005]本發(fā)明的基于稻殼灰制備用于高性能電化學(xué)超級(jí)電容器的納米分級(jí)孔碳材料的方法，它是按以下步驟進(jìn)行的:
[0006]—、將稻殼灰在攪拌的條件下加入到氫氟酸中，攪拌均勻，得懸浮液；其中，氫氟酸體積濃度為1%?10%，攪拌時(shí)間為12?24h ;
[0007]二、將步驟一所得懸浮液用蒸餾水洗滌，再進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程為:置于真空干燥箱中，在溫度為50?80°C的條件下干燥12?24h ;
[0008]三、將步驟二干燥后所得樣品加入Κ0Η進(jìn)行活化，并在管式爐中碳化；其中，樣品和Κ0Η的質(zhì)量比為1: (1?5)，活化溫度為600?1000°C，保溫時(shí)間為1?2h ;
[0009]四、將步驟三所得碳化后樣品用蒸餾水反復(fù)洗滌3?4次，再將其干燥，得到最終產(chǎn)物；其中，干燥過(guò)程為:置于真空干燥箱中，在溫度為50?80°C的條件下干燥12?24h。
[0010]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0011]本專(zhuān)利的原料為稻殼用于發(fā)電廠燃燒發(fā)電產(chǎn)生的廢料，不存在炭化流程，此原料成分復(fù)雜，在發(fā)電過(guò)程中，稻殼自身燃燒溫度較低，造成成分更加復(fù)雜，而且燃燒不充分會(huì)使稻殼本身的生物特有的孔道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且發(fā)電廠進(jìn)行的燃燒是不完全燃燒，生成氧化硅，并且植物本身孔徑結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生坍塌，因此比表面積比較低。許多文獻(xiàn)報(bào)道材料的比表面積對(duì)超電性能有一定的影響，但并不完全取決于高的比表面積。
[0012]專(zhuān)利CN 103426650 A公開(kāi)了一種稻殼基活性炭材料用于不對(duì)稱(chēng)型電化學(xué)超級(jí)電容器，其目的是為了提供一種適用廣泛的活性炭材料，該材料只能提供雙電層；然而本發(fā)明再其基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸，對(duì)稻殼灰中的大量氧化硅進(jìn)行部分去除，保留的部分硅可以提供膺電容。另外，本發(fā)明是在三電極體系下進(jìn)行的電化學(xué)測(cè)試，與CN 103426650 A的專(zhuān)利測(cè)試體系不一樣，不具備可比性。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用稻殼灰為原料，具有操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、可商業(yè)化、節(jié)約資源、有利于環(huán)境保護(hù)的特點(diǎn)，制備所得的納米分級(jí)孔道碳材料，作為超級(jí)電容器的電極材料，在三電極體系下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，在電流密度為0.5A/g的條件下，比電容可達(dá)154F/g。經(jīng)進(jìn)一步測(cè)定該納米分級(jí)多孔碳材料的比表面積可達(dá)807.2m2/g。與目前已有的生物質(zhì)合成多孔納米碳材料相比，本發(fā)明的方法制得的納米分級(jí)孔碳材料具有更大的比表面積，更好的孔隙結(jié)構(gòu)，更高的比電容以及倍率性能。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是稻殼灰原料和實(shí)施例一所得的納米分級(jí)孔碳材料的XRD圖；其中，A為稻殼灰原料的XRD，B是實(shí)施例一所得的納米分級(jí)孔碳材料的XRD ;
[0015]圖2是實(shí)施例一所得納米分級(jí)孔碳材料的掃描電子顯微鏡圖片；
[0016]圖3是實(shí)施例一所得納米分級(jí)孔碳材料的氮?dú)馕?脫附曲線(xiàn)；
[0017]圖4是實(shí)施例一所得納米分級(jí)孔碳材料的恒流充放電圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明技術(shù)方案不局限與以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0019]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種基于稻殼灰制備用于高性能電化學(xué)超級(jí)電容器的納米分級(jí)孔碳材料的方法，具體是按以下步驟操作的:
[0020]—、將稻殼灰在攪拌的條件下加入到氫氟酸中，攪拌均勻，得懸浮液；其中，氫氟酸體積濃度為1%?10%，攪拌時(shí)間為12?24h ;
[0021]二、將步驟一所得懸浮液用蒸餾水洗滌，再進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程為:置于真空干燥箱中，在溫度為50?80°C的條件下干燥12?24h ;
[0022]三、將步驟二干燥后所得樣品加入Κ0Η進(jìn)行活化，并在管式爐中碳化；其中，樣品和Κ0Η的質(zhì)量比為1: (1?5)，活化溫度為600?1000°C，保溫時(shí)間為1?2h ;
[0023]四、將步驟三所得碳化后樣品用蒸餾水反復(fù)洗滌3?4次，再將其干燥，得到最終產(chǎn)物；其中，干燥過(guò)程為:置于真空干燥箱中，在溫度為50?80°C的條件下干燥12?24h。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用稻殼灰為原料，具有操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、可商業(yè)化、節(jié)約資源、有利于環(huán)境保護(hù)，制備所得的納米分級(jí)孔碳材料，作為超級(jí)電容器的電極材料，在三電極體系下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，在電流密度為0.5A/g的條件下，比電容可達(dá)154F/g。經(jīng)進(jìn)一步測(cè)定該納米分級(jí)孔碳材料的比表面積可達(dá)807.2m2/g。與目前已有的生物質(zhì)合成多孔納米碳材料相比，本發(fā)明的方法制得的納米分級(jí)孔碳材料具有更大的比表面積，更好的孔隙結(jié)構(gòu)，更高的比電容以及倍率性能。
[0025]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中氫氟酸的體積濃度為2%?10%。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟一中氫氟酸混合攪拌的時(shí)間為12?20h。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟二中干燥的過(guò)程為:置于真空干燥箱中，在溫度為55?80°C的條件下干燥12?24h。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟二中干燥的過(guò)程為:在真空干燥箱中溫度為60?80°C的條件下干燥16?20h。其它與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:步驟二中干燥的過(guò)程為:在真空干燥箱中溫度為70?80°C的條件下干燥12?24