CN103408009A - 一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，属于资源综合利用和电化学超级电容器技术领域。步骤为：（1）将稻壳清洗、干燥、研磨；（2）将上述步骤（1）研磨后的稻壳在非氧化条件下炭化，用酸溶液处理，然后水洗、干燥，得到炭化物；（3）将上述步骤（2）得到的炭化物与强碱按比例混合，加入一定量水混合均匀，烘干，控制升温速度，活化，得到活化产物；（4）将上述步骤（3）得到的活化产物用热水中浸泡，过滤，洗涤至中性，干燥后研磨至150-300目得高比电容稻壳基活性炭材料；（5）将上述步骤（4）得到的滤液回收，在一定温度下加入酸溶液，控制酸的滴加速度，调整pH，陈化，过滤、干燥，即得纳米二氧化硅产品。

Description

一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法

技术领域

本发明属于资源综合利用和电化学超级电容器技术领域，涉及到一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法。

背景技术

电化学超级电容器是介于充电电池与传统电容器之间的一种新型、高效的储能装置，具有高能量密度、可在瞬间提供强大猝发功率的超级电容器及其关键材料一直是人们研究开发的热点。高比容碳材料是超级电容器的关键材料之一。典型的碳材料有碳纤维、活性炭、碳纳米管和炭凝胶等。目前商业化的电化学超级电容器用电极材料主要是活性炭，活性炭生产成本低、工艺成熟、性能稳定，但活性炭一般比电容小于150F/g。生产活性炭的原料主要有煤，石油及其加工产品，也包括木炭、果核、稻壳、稻草等可再生的生物质资源。

我国是世界上主要水稻种植国，水稻年产量约占世界水稻年产量的1/3。稻壳作为大米加工的主要副产品，数量十分巨大，如何处理和利用这些稻壳已经成为亟待解决的问题。最初稻壳的处理方式是直接废弃或者焚烧，不仅浪费资源而且污染环境。随着稻壳发电技术的日益成熟，利用稻壳发电使稻壳成为一种生物质能源。但是与火电相比，稻壳发电成本不占优势。此外，稻壳发电产生大量的稻壳灰，如果不加以处理，对环境仍是一大危害。近年来，对稻壳的利用得到了广泛重视，文献（Advances in Colloid and Interface Science,2011,163:39–52.）对此进行了详细评述。

在各种稻壳的利用方法中，专利CN101708845A以稻壳、秸秆为原料制备活性炭，对原料进行预处理、炭化、酸处理、碱活化，制得活性炭碘吸附值大于1000mg/g，亚甲基蓝吸附率大于135mg/g，该专利选用碱煮法活化，不能有效去除活性炭中二氧化硅，得到的活性炭灰分高，不适合用作电容炭；专利CN1203887A以稻壳为原料，用稻壳碳化物与碱性活化剂按一定质量比混合，进行预处理后升温活化制得比表面积为2500-3500m²/g的活性炭产品，所制备的高比表面的活性炭目的是作为一种高效吸附材料，该法直接将稻壳碳化物与碱固相混合后活化，很难使碳化物与碱混合均匀，而且对活化产物没有进行处理，导致得到的活性炭性能不稳定，灰分含量相对较高；专利CN102205963A将稻壳等生物质原料与32-72wt%的无机酸按固液比1:5-10（Kg/L）混合，利用水解后得到的糖酸溶液经缩聚炭化反应、过滤、洗涤、干燥制备水热碳，然后活化制备超级电容器用高比表面积活性炭，所述制备方法较为复杂，原材料种类多，制备时间较长，能耗较大，产品成本较高；专利CN102431993A以稻壳为碳源，氯化锌为活化剂，通过微波辅助加热氯化锌活化制备中孔炭材料，所制得的中孔炭材料比表面积介于1409-1738m²/g之间，比电容小于200F/g，该方法制得的炭材料比表面积不大，比电容不高，由于选用氯化锌为活化剂，对于稻壳中的二氧化硅和灰分的去除效果不佳。在上述专利中虽然制备出了高比表面积的活性炭材料，但是制备方法中还存在许多不足，并且仅仅利用了稻壳中的碳源，未实现稻壳的充分利用。考虑到稻壳中含有大量的天然二氧化硅，专利CN101486460A以稻壳为原料制备了高吸附性能的活性炭和白炭黑，但所制得的白炭黑的品质不高；专利CN101804988A公开了一种以稻壳灰制备纳米二氧化硅和活性炭的方法，实现了稻壳的综合利用，但由于使用碳酸盐作为活化剂，制得活性炭比表面积较低（<700m²/g），限制了所制得的活性炭的应用，同时该法没有控制二氧化硅形成条件，如酸的浓度、溶液滴加速度、终点pH等，因此很难得到纳米级二氧化硅。

发明内容

本发明的目的是提供一种以稻壳为原料，能够同时制备高比电容稻壳基活性炭材料和纳米二氧化硅的制备方法。

本发明所提供的高比电容稻壳基活性炭材料的制备方法至少包括以下步骤：

（1）将稻壳清洗、干燥、研磨；

（2）将上述步骤（1）研磨后的稻壳在非氧化条件下炭化，用酸溶液处理，然后水洗、干燥，得到炭化物；

（3）将上述步骤（2）得到的炭化物与强碱按比例混合，加入一定量水混合均匀，烘干，控制升温速度，活化，得到活化产物；

（4）将上述步骤（3）得到的活化产物用热水中浸泡，过滤，洗涤至中性，干燥后研磨至150-300目得高比电容稻壳基活性炭材料；

（5）将上述步骤（4）得到的滤液回收，在一定温度下加入酸溶液，控制酸的滴加速度，调整pH，陈化，过滤、干燥，即得纳米二氧化硅产品。

上述方法中，所述步骤（2）中，所述非氧化条件是通过向反应体系通入二氧化碳、氮气、氩气中的至少一种气体得到的；

所述步骤（2）中的炭化温度为350-550℃，炭化时间为0.5-2h，所述酸溶液可以是盐酸、硫酸中的至少一种；

所述步骤（3）中，强碱为氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种，炭化物与强碱质量比为1:（1-5），升温速度为2-15℃/min，活化温度为600-900℃，活化为0.5-4h；

所述步骤（4）中，热水温度控制在50-100℃，干燥温度为100-120℃，干燥时间为12-24h；

所述步骤（5）中，温度控制在50-90℃，酸溶液浓度为2%-20%（质量），酸的滴加速度为0.1-1ml/min，pH3-9，陈化时间为0.5-5h。

所制备出来的高比电容活性炭材料比表面积为2000-3700m²/g，孔径分布窄，以微孔和中孔分布为主，作为电极材料可以用于水溶液或有机体系的电化学电容器。

有益效果：

本发明所制备的稻壳基活性炭材料比表面积介于2000-3700m²/g，孔径分布窄，以微孔和中孔分布为主，可以用于水溶液或有机体系电化学电容器。按一定质量比与粘结剂、导电剂混合均匀，制得的电极材料在KOH、H₂SO₄、Na₂SO₄等水系电解液以及TEA-BF₄等有机电解液中具有优良的比电容、充放电性能。另外，联产得到的二氧化硅为纳米级。由于使用的原料为稻壳，廉价易得，利用率高，制备过程简单、高效，因此非常适宜于规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的稻壳基活性炭材料的扫描电镜照片；

图2是本发明实施例1制备的稻壳基活性炭材料的低温氮吸附测试得到的孔径分布图；

图3是用本发明实施例1制备的稻壳基活性炭材料制成的对称性电化学超级电容器在电流密度1A/g下的充放电曲线。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步说明。

实施例1：

（1）将稻壳清洗、干燥、研磨；

（2）将步骤（1）处理后的稻壳在氮气保护下，400℃下炭化1.5h，用10%的盐酸处理，然后水洗、干燥；

（3）将步骤（2）的炭化产物与氢氧化钾按质量比1:3混合，加入的水与混合物的体积质量比为3：1（mL/g），混合均匀，烘干，控制升温速度10℃/min，在750℃下活化1h；

（4）将活化产物加水在90℃下浸泡，过滤，用沸水洗涤到中性，100℃干燥12h后得稻壳基活性炭材料，比表面积3235m²/g，平均孔径2.0nm；

（5）将将步骤（4）中的滤液回收，调整温度为70℃，加入浓度为5%盐酸溶液，控制盐酸滴加速度为0.2ml/min，至pH=6.5为终点，陈化时间2h，过滤、干燥，即得平均粒径56nm、纯度为99.5%、白度为99.7%的纳米二氧化硅产品。

（6）将步骤（4）制得的稻壳基活性炭材料研磨至200目，按活性炭:粘结剂（聚偏氟乙烯）:导电剂（乙炔黑）=85:5:10（质量比）分散到乙醇中，加热搅拌，辊压成片；

（7）将步骤（6）制得的电极片在15MPa下压在泡沫镍上，组装成对称型超级电容器，电解液为6M KOH，测试所制备的稻壳基活性炭材料比电容为331F/g。

实施例2

（1）将稻壳清洗、干燥、研磨；

（2）将步骤（1）处理后的稻壳在氩气保护下，400℃下炭化2h，用5%的盐酸处理，然后水洗、干燥；

（3）将步骤（2）的炭化产物与氢氧化钾按质量比1:4混合，加入的水与混合物的体积质量比为2：1（mL/g），混合均匀，烘干，控制升温速度10℃/min，在700℃下活化2h；

（4）将活化产物加水在100℃下浸泡，过滤，用沸水洗涤到中性，100℃干燥12h后得稻壳基活性炭材料，比表面积2824m²/g，平均孔径2.4nm；

（5）将将步骤（4）中的滤液回收，调整温度为80℃，加入浓度为12%硫酸溶液，控制硫酸溶液滴加速度为0.5ml/min，至pH=8.0为终点，陈化时间3h，过滤、干燥，即得平均粒径78nm、纯度为99.4%、白度为99.5%的纳米二氧化硅产品。

（6）将步骤（4）制得的稻壳基活性炭材料研磨至200目，按活性炭:粘结剂（聚偏氟乙烯）:导电剂（乙炔黑）=85:5:10（质量比）分散到乙醇中，加热搅拌，辊压成片；

（7）将步骤（6）制得的电极片在15MPa下压在不锈钢网上，组装成对称型超级电容器，电解液为1M H₂SO₄，测试所制备的稻壳基活性炭材料比电容为314F/g。

实施例3

（1）将稻壳清洗、干燥、研磨；

（2）将步骤（1）处理后的稻壳在氮气保护下，450℃下炭化1h，用10%的硫酸处理，然后水洗、干燥；

（3）将步骤（2）的炭化产物与氢氧化钠按质量比1:3混合，加入的水与混合物的体积质量比为4：1（mL/g），混合均匀，烘干，控制升温速度15℃/min，在700℃下活化2h；

（4）将活化产物加水在70℃下浸泡，过滤，用沸水洗涤到中性，100℃干燥12h后得稻壳基活性炭材料，比表面积2932m²/g，平均孔径2.2nm；

（5）将将步骤（4）中的滤液回收，调整温度为60℃，加入浓度为5%盐酸溶液，控制硫酸溶液滴加速度为0.6ml/min，至pH=7.5为终点，陈化时间4h，过滤、干燥，即得平均粒径85nm、纯度为99.3%、白度为99.5%的纳米二氧化硅产品。

（6）将步骤（4）制得的稻壳基活性炭材料研磨至200目，按活性炭:粘结剂（聚偏氟乙烯）:导电剂（乙炔黑）=85:5:10（质量比）分散到乙醇中，加热搅拌，辊压成片；

（7）将步骤（6）制得的电极片在15MPa下压在泡沫镍上，组装成对称型超级电容器，电解液为1M Na₂SO₄，测试所制备的稻壳基活性炭材料比电容为252F/g。

实施例4

（1）将稻壳清洗、干燥、研磨；

（2）将步骤（1）处理后的稻壳在氮气保护下，450℃下炭化2h，用12%的盐酸处理，然后水洗、干燥；

（3）将步骤（2）的炭化产物与氢氧化钠按质量比1:4混合，加入的水与混合物的体积质量比为6：1（mL/g），混合均匀，烘干，控制升温速度10℃/min，在800℃下活化2h；

（4）将活化产物加水在90℃下浸泡，过滤，用沸水洗涤到中性，100℃干燥12h后得稻壳基活性炭材料，比表面积2147m²/g，平均孔径2.8nm；

（5）将将步骤（4）中的滤液回收，调整温度为90℃，加入浓度为20%硫酸溶液，控制硫酸溶液滴加速度为1.0ml/min，至pH=9.0为终点，陈化时间1.5h，过滤、干燥，即得平均粒径98nm、纯度为98.7%、白度为99.1%的纳米二氧化硅产品。

（5）将步骤（4）制得的稻壳基活性炭材料研磨至200目，按活性炭:粘结剂（聚偏氟乙烯）:导电剂（乙炔黑）=85:5:10（质量比）分散到NMP中，以铝箔为集流体制成电极，电解液为1M TEA-BF₄/AN，在手套箱中组装成对称型超级电容器，测试所制备的稻壳基活性炭材料比电容为220F/g。

Claims (6)

1.一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，至少包括以下步骤： 

（1）将稻壳清洗、干燥、研磨； 

（2）将上述步骤（1）研磨后的稻壳在非氧化条件下炭化，用酸溶液处理，然后水洗、干燥，得到炭化物； 

（3）将上述步骤（2）得到的炭化物与强碱按比例混合，加入一定量水混合均匀，烘干，控制升温速度，活化，得到活化产物； 

（4）将上述步骤（3）得到的活化产物用热水中浸泡，过滤，洗涤至中性，干燥后研磨至150-300目得高比电容活性炭材料； 

（5）将上述步骤（4）得到的滤液回收，在一定温度下加入酸溶液，控制酸的滴加速度，调整pH，陈化，过滤、干燥，即得纳米二氧化硅产品。 

2.根据权利要求1所述的一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，非氧化条件是通过向反应体系通入二氧化碳、氮气、氩气中的至少一种气体得到的； 

所述步骤（2）中的炭化温度为350-550℃，炭化时间为0.5-2h，所述酸溶液可以是盐酸、硫酸中的至少一种。 

3.根据权利要求1所述的一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，强碱为氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种，炭化物与强碱质量比为1:（1-5），升温速度为2-15℃/min，活化温度为600-900℃，活化0.5-4h。 

4.根据权利要求1所述的一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，热水温度控制在50-100℃，干燥温度为100-120℃，干燥时间为12-24h。 

5.根据权利要求1所述的一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，温度控制在50-90℃，酸溶液浓度为2%-20%（质量），酸的滴加速度为0.1-1ml/min，pH3-9，陈化时间为0.5-5h。 

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的一种由稻壳联产高比电容活性炭和纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于：所制备出来的高比电容活性炭材料比表面积为2000-3700m²/g，孔径分布窄，以微孔和中孔分布为主，作为电极材料可以用于水溶液或有机体系的电化学电容器。 

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