CN109422263B - 一种纤维素多孔活性炭及其制备方法与应用 - Google Patents
一种纤维素多孔活性炭及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109422263B CN109422263B CN201710718213.1A CN201710718213A CN109422263B CN 109422263 B CN109422263 B CN 109422263B CN 201710718213 A CN201710718213 A CN 201710718213A CN 109422263 B CN109422263 B CN 109422263B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cellulose
- potassium hydroxide
- activated carbon
- porous activated
- activating agent
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 108
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 title claims abstract description 91
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims abstract description 31
- 239000008247 solid mixture Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 8
- 235000015110 jellies Nutrition 0.000 claims abstract description 8
- 239000008274 jelly Substances 0.000 claims abstract description 8
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 159
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 6
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 244000025254 Cannabis sativa Species 0.000 claims description 2
- 235000012766 Cannabis sativa ssp. sativa var. sativa Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000012765 Cannabis sativa ssp. sativa var. spontanea Nutrition 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000009120 camo Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000005607 chanvre indien Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000011487 hemp Substances 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 239000010902 straw Substances 0.000 claims description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 2
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 19
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 14
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 14
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 14
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 9
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 8
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- 239000005539 carbonized material Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/40—Fibres
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/44—Raw materials therefor, e.g. resins or coal
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
- C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/12—Surface area
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/16—Pore diameter
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
本发明涉及一种纤维素基多孔活性炭及其制备方法与应用，所述方法包括以下步骤：1)将天然纤维素与活化剂水溶液混合，充分研磨至纤维胶状物，冷冻干燥，制得纤维素与活化剂的固体混合物；2)将步骤1)制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在500～1000℃温度下，碳化0.5～4h，即得。本发明还公开了所述纤维素基多孔活性炭在超级电容器电极材料上的应用。本发明操作简单，可严格控制原料与活化剂的使用量。所制得多孔活性炭比表面积极高，可广泛应用于超级电容器的电极材料。
Description
技术领域
本发明涉及天然高分子材料的技术领域，具体地涉及一种纤维素基多孔活性炭及其制备方法与应用。
背景技术
电极材料作为影响超级电容器电能储存容量(即电容)的关键部分，要具备比表面积大和循环特性好等特点而其原料及制备方法的研究尤为重要。多孔碳材料的因为他们的可用性、微观结构可调节和比表面积大等优势得到很多研究人员的关注。
近年来研究较多的多孔碳材料包括石墨烯、碳纳米管及生物质碳化材料等。石墨烯及碳纳米管导电性良好且比表面积大，然而其制备方法复杂、价格昂贵，制约了它们的应用。而生物质碳化材料以价格低廉且储量丰富引起了诸多研究者的兴趣，特别是化学活化得到生物质碳材料。因化学活化温和简便，收率较高，得到的碳材料孔尺寸分布明确和比表面积高，而成为制备超级电容器电极材料的主要方式。
在制备碳材料的过程中，通常采用的活化方式为浸泡法以及水热法，而其中进入材料的活化剂的量不均匀，以及反应条件不精准，导致所制备的材料会有一定差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素基多孔活性炭的制备方法。本发明采用研磨方式，使其天然纤维素原料和活化剂水溶液充分混合；不仅简化了制备方法，且有效的控制反应条件及活化剂的使用量。
所述方法包括以下步骤：
1)将天然纤维素与活化剂水溶液混合，充分研磨至纤维胶状物，冷冻干燥，制得纤维素与活化剂的固体混合物；
2)将步骤1)制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在500～1000℃温度下，碳化0.5～4h，即得。
所采用的天然纤维素宏观形状为纤维状、颗粒或浆板状；所述天然纤维素中纤维素的质量百分比不小于90％；本发明采用的天然纤维素不限于种类；优选采用木材、棉花、麻、农作物秸秆或农作物果实中的一种或多种提纯制得。
本发明中提纯的纤维素的的方式为常规的提纯方式。
所述活化剂选自氢氧化钾、磷酸或氯化锌中一种或多种；
所述天然纤维素与所述活化剂的质量比为1:0.2～2，优选为 1:0.6～1.6。
所述活化剂水溶液中活化剂的重量百分比为1wt％～10wt％，优选为3wt％～8wt％。
当本发明的活化剂选用氢氧化钾水溶液时，经冷冻干燥除去水而留下氢氧化钾固体，并产生一定的孔。碳化过程高温下，氢氧化钾与碳反应，再分解气化造孔，故而能得到大比表面的多孔碳材料。
本发明为实现天然纤维素与氢氧化钾水溶液的充分混合，具体采用研磨的方式；进一步采用采用球磨方式，使其原料与活化剂水溶液得到充分均匀的混合；其中，磨球的材质选自二氧化锆，玛瑙，钢球中一种或多种；和/或，球料比为3～4:1；和/或，球磨时间为2～12小时；和/或，转速为200～400rpm。
本发明在充分混合后，进一步采用了冷冻干燥。所述冷冻干燥的温度为-60℃～-100℃。传统的干燥会引起材料的皱缩，而在冷冻干燥的过程中样品的结构不会被破坏，因为固体成分被其位置上的坚冰支撑着。在冰升华时，会留下空隙在干燥的剩余物质里，这就保留了产品的化学结构的完整性，并会制造出一定的空隙。
本发明进一步提出的，所述步骤2)具体为：将步骤1)制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在600～800℃的温度下，碳化0.8～1.2h，即得多孔活性炭。
作为本发明的优选技术方案，提供一种纤维素基多孔活性炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)将天然纤维素与3wt％～8wt％的氢氧化钾水溶液混合，球磨均匀至纤维胶状物，在-80℃温度下冷冻干燥，制得纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
所述天然纤维素与所述氢氧化钾的质量比为1:0.6～1.6；
所述天然纤维素中纤维素的质量百分比不小于90％；
2)将步骤1)制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在600～800℃温度下，碳化0.8～1.2h，即得。
本发明的第二的目的在于，提供一种上述任一方法制备的纤维素基多孔活性炭。
所述纤维素基多孔活性炭的比表面积为500m2/g～1000m2/g。
本发明的第三的目的在于，提供上述的纤维素基多孔活性炭在超级电容器电极材料上的应用；
所述应用具体为：所述多孔活性炭为电极时，采用氢氧化钾溶液作为电解液。
优选地，所述多孔活性炭做电极时，采用浓度为6mol/L的KOH 溶液为电解液。此电解液具有高电导率，低内阻，电解液离子半径小从而易进入微孔且与微孔充分浸润，充分利用电极材料表面积等优点。
本发明至少具有以下有益效果：
1、本发明采取球磨方式一步混合原料与活化剂，使其得到充分混合；本发明操作简单，可严格控制原料与活化剂的使用量。
2、本发明制得的纤维基多孔活性炭具备大的比表面积，最高可达1000m2/g，且几乎全为微孔；作为超级电容器的电极材料，在1A/g 电流密度下两电极体系质量比电容最高可以达到300F/g，且具有良好的循环稳定性。这种以可再生，环境友好且低成本的纤维素为活性炭前驱体经球磨工艺混合活化为制备超级电容器电极材料提供了新思路。
附图说明
图1为实施例1制备的多孔活性炭的SEM图；
图2为实施例2制备的多孔活性炭的氮气吸脱附曲线，及孔径分布曲线；
图3为实施例2制备的多孔活性炭的恒流充放电图；
图4为实施例2制备的多孔活性炭的循环伏安曲线图；
图5为实施例2制备的多孔活性炭的交流阻抗图谱。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与1.6g氢氧化钾加入到18.4g水中，混合制得混合物；其中1.6g氢氧化钾加入到18.4g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为8wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物；其中球磨罐及磨球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1；以300rpm的转速，球磨10 小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
如图1的多孔碳材料的SEM图所示，从图中可明显看出材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达678 m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到180F/g。
实施例2
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与1g氢氧化钾加入到19g水中，混合制得混合物；其中1g氢氧化钾加入到19g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为5wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物；其中球磨罐及磨球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1；以300rpm的转速，球磨10 小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。图2为实施例2的氮气吸脱附曲线及孔径分布曲线，所得材料比表面积达1057m2/g。图3，图4，图5分别为此活性炭作为电极材料所测得的两极电化学性能测试结果。多孔碳材料的循环伏安曲线呈较好的类矩形，表明其理想的双电层电容特性，由恒流充放电测试及交流阻抗测试得到了电容值与内阻，其电容值达290F/g，迁移内阻较小，仅为0.90Ω。
实施例3
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与0.6g氢氧化钾加入到19.4g水中，混合制得混合物,其中0.6g氢氧化钾加入到19.4g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为3wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物；其中球磨罐及磨球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1；以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，知所得活性炭的比表面积可达960m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到194F/g。
实施例4
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与0.8g氢氧化钾加入到19.2g水中，混合制得混合物，其中0.8g氢氧化钾加入到19.2g水中，所制得氢氧化钾溶液的浓度为4wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物；其中球磨罐及球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1，以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。经SEM 测试证实材料确实为多孔结构。
经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达842m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到178F/g。
实施例5
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与1.2g氢氧化钾加入到18.8g水中，混合制得混合物,其中1.2g氢氧化钾加入到18.8g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为6wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物；其中球磨罐及球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1，以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达898m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到152F/g。
实施例6
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与1.4g氢氧化钾加入到18.6g水中，混合制得混合物,其中，1.4g氢氧化钾加入到18.6g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为7wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物,球磨罐及球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1，以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达906m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到143F/g。
实施例7
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与1g氢氧化钾加入到19g水中，混合制得混合物,其中1g氢氧化钾加入到19g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为5wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物,球磨罐及球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1，以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为700℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达663m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到120F/g。
实施例8
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g棉浆纤维素与1g氢氧化钾加入到19g水中，混合制得混合物,其中1g氢氧化钾加入到19g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为5wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物,球磨罐及球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1，以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为800℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达510m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到103F/g。
实施例9
一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1g玉米芯纤维素与1g氢氧化钾加入到19g水中，混合制得混合物，其中1g氢氧化钾加入到19g水中，所制得的氢氧化钾溶液的浓度为5wt％；
(2)通过球磨将混合物制成纤维素胶状物,球磨罐及球的材质均为二氧化锆，球料比为3.5:1，以300rpm的转速，球磨10小时；
(3)将纤维素胶状物在-80℃冷冻干燥，得到纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
(4)在氮气条件下活化碳化纤维素与氢氧化钾的固体混合物，碳化温度为600℃，碳化时间为1h，得到纤维素基多孔活性炭。
经SEM测试证实材料确实为多孔结构。经氮气吸脱附实验检测，所得活性炭的比表面积可达910m2/g。作为超级电容器的电极材料，在1A/g电流密度下两电极体系质量比电容可以达到274F/g。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (12)
1.一种制备纤维素基多孔活性炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将天然纤维素与活化剂水溶液混合，充分研磨至纤维胶状物，冷冻干燥，制得纤维素与活化剂的固体混合物；所述活化剂选自氢氧化钾、磷酸或氯化锌中一种或多种；所述天然纤维素与所述活化剂的质量比为1: 0.6~1.6；所述活化剂水溶液中活化剂的重量百分比为3wt%~8wt%；
所述研磨具体采用球磨方式；其中，磨球的材质为二氧化锆，玛瑙，钢球中一种或多种；球料比为3~4:1；球磨时间为2~12小时，转速为200~400 rpm；
2）将步骤1）制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在500~1000℃温度下，碳化0.5~4h，即得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然纤维素中纤维素的质量百分比不小于90%。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述天然纤维素由木材、棉花、麻、农作物秸秆或农作物果实中的一种或多种提纯制得。
4.根据权利要求1~3任一所述的方法，其特征在于，所述冷冻干燥的温度为-60℃~-100℃。
5.根据权利要求1~3任一所述的方法，其特征在于，所述步骤2）具体为：将步骤1）制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在600~800℃的温度下，碳化0.8~1.2h，即得。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2）具体为：将步骤1）制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在600~800℃的温度下，碳化0.8~1.2h，即得。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）将天然纤维素与3wt%~8wt%的氢氧化钾水溶液混合，球磨均匀至纤维胶状物，在-80℃温度下冷冻干燥，制得纤维素与氢氧化钾的固体混合物；
所述天然纤维素与氢氧化钾的质量比为1:0.6~1.6；
所述天然纤维素中纤维素的质量百分比不小于90%；
2）将步骤1）制得的固体混合物置于惰性气体或氮气环境中，在600~800℃温度下，碳化0.8~1.2h，即得。
8.一种权利要求1~7任一所述方法制备的纤维素基多孔活性炭。
9.根据权利要求8所述的纤维素基多孔活性炭，其特征在于，所述多孔活性炭的比表面积为500m2/g~1000m2/g。
10.权利要求8或9所述的多孔活性炭在超级电容器电极材料上的应用。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述应用具体为：采用的氢氧化钾溶液作为电解液。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，采用6 mol/L的氢氧化钾溶液作为电解液。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710718213.1A CN109422263B (zh) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | 一种纤维素多孔活性炭及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710718213.1A CN109422263B (zh) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | 一种纤维素多孔活性炭及其制备方法与应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109422263A CN109422263A (zh) | 2019-03-05 |
| CN109422263B true CN109422263B (zh) | 2021-10-26 |
Family
ID=65498027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710718213.1A Active CN109422263B (zh) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | 一种纤维素多孔活性炭及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109422263B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110422914A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-11-08 | 重庆大学 | 一种生物炭基电容式电极材料和采用其制备的电容式电极 |
| CN113683088A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 西安交通大学 | 一种纤维素基三维多孔碳材料及其制备方法和应用 |
| CN114392719A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-26 | 合肥工业大学 | 一种制备碳基磁性活性炭的方法及制备的碳基磁性活性炭 |
| CN115677716A (zh) * | 2022-09-09 | 2023-02-03 | 华北电力大学 | 一种棉花加工废弃物高值化利用的方法 |
| CN115818641A (zh) * | 2023-01-05 | 2023-03-21 | 西南科技大学 | 一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳及其制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8555896B2 (en) * | 2007-12-19 | 2013-10-15 | Philip Morris Usa Inc. | Activated carbon from microcrystalline cellulose |
| CN104307470A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-01-28 | 天津理工大学 | 一种高吸附量的纤维素纤维基活性炭纤维的制备方法及其产品和应用 |
| CN105133091A (zh) * | 2014-05-28 | 2015-12-09 | 吴光平 | 一种植物活性炭纤维柱的制备方法 |
| CN105384162A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-03-09 | 华南理工大学 | 一种玉米芯基多孔碳材料及其制备方法和应用 |
| CN106587055A (zh) * | 2016-11-17 | 2017-04-26 | 华南理工大学 | 一种生物质基多孔碳材料及制法与在超级电容器中的应用 |
| CN106809834A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-06-09 | 合肥工业大学 | 一种真空冷冻干燥制备生物质活性炭的方法 |
-
2017
- 2017-08-21 CN CN201710718213.1A patent/CN109422263B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8555896B2 (en) * | 2007-12-19 | 2013-10-15 | Philip Morris Usa Inc. | Activated carbon from microcrystalline cellulose |
| CN105133091A (zh) * | 2014-05-28 | 2015-12-09 | 吴光平 | 一种植物活性炭纤维柱的制备方法 |
| CN104307470A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-01-28 | 天津理工大学 | 一种高吸附量的纤维素纤维基活性炭纤维的制备方法及其产品和应用 |
| CN105384162A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-03-09 | 华南理工大学 | 一种玉米芯基多孔碳材料及其制备方法和应用 |
| CN106587055A (zh) * | 2016-11-17 | 2017-04-26 | 华南理工大学 | 一种生物质基多孔碳材料及制法与在超级电容器中的应用 |
| CN106809834A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-06-09 | 合肥工业大学 | 一种真空冷冻干燥制备生物质活性炭的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109422263A (zh) | 2019-03-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109422263B (zh) | 一种纤维素多孔活性炭及其制备方法与应用 | |
| Wang et al. | Nitrogen-doped biomass-based hierarchical porous carbon with large mesoporous volume for application in energy storage | |
| Tang et al. | Research advances in biomass-derived nanostructured carbons and their composite materials for electrochemical energy technologies | |
| Demir et al. | Supercapacitance and oxygen reduction characteristics of sulfur self-doped micro/mesoporous bio-carbon derived from lignin | |
| Wang et al. | 3-dimensional interconnected framework of N-doped porous carbon based on sugarcane bagasse for application in supercapacitors and lithium ion batteries | |
| Wei et al. | Synthesis of porous carbons from coal tar pitch for high-performance supercapacitors | |
| Luo et al. | A review on biomass-derived activated carbon as electrode materials for energy storage supercapacitors | |
| Ruiz-Montoya et al. | Recent progress in and prospects for supercapacitor materials based on metal oxide or hydroxide/biomass-derived carbon composites | |
| CN111320172B (zh) | 一种含微孔-介孔孔道的生物质活性炭基电极材料的定向合成方法及其应用 | |
| Zhao et al. | Efficient synthesis of nitrogen and oxygen co-doped hierarchical porous carbons derived from soybean meal for high-performance supercapacitors | |
| CN111453726A (zh) | 一种氮掺杂多孔炭材料及其制备方法与应用 | |
| Zhou et al. | Hierarchical porous carbon microtubes derived from corn silks for supercapacitors electrode materials | |
| Li et al. | Fatsia japonica-derived hierarchical porous carbon for supercapacitors with high energy density and long cycle life | |
| CN110589827A (zh) | 一种双活化法制备生物质碳气凝胶的方法及其应用 | |
| Yan et al. | Nitrogen-doped oxygen-rich activated carbon derived from Longan shell for supercapacitors | |
| CN112265990A (zh) | 一种糠醛渣多孔活性炭材料的制备方法及其应用 | |
| Kang et al. | Hierarchically Porous Carbons Derived from Cotton Stalks for High‐Performance Supercapacitors | |
| CN109637843A (zh) | 一种以芹菜为电极原料制备超级电容器的方法 | |
| CN109467082B (zh) | 一种石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料的制备方法 | |
| Kang et al. | Multifunctional N and O co-doped 3D carbon aerogel as a monolithic electrode for either enzyme immobilization, oxygen reduction and showing supercapacitance | |
| CN114506838B (zh) | 一种三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料及其制备方法和应用 | |
| Wang et al. | Regenerated Bamboo-Derived Cellulose Fibers/RGO-Based Composite for High-Performance Supercapacitor Electrodes | |
| CN113979434A (zh) | 一种生物质基碳电极材料及其制备方法和应用 | |
| Qi et al. | Self-assembled nano Co-Ni pompon structured hierarchical porous carbon and the excellent electrochemical capacity | |
| CN110648856B (zh) | 一种石墨烯材料及其制备方法和超级电容器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |