CN111977651A - 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法 - Google Patents
碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111977651A CN111977651A CN202010715641.0A CN202010715641A CN111977651A CN 111977651 A CN111977651 A CN 111977651A CN 202010715641 A CN202010715641 A CN 202010715641A CN 111977651 A CN111977651 A CN 111977651A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- potassium carbonate
- low
- carbon source
- order
- atmosphere furnace
- 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.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 142
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 137
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 94
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 38
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 38
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 33
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 19
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 10
- 239000003476 subbituminous coal Substances 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 claims description 8
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 7
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 claims description 6
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 claims description 6
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 claims description 6
- 235000013162 Cocos nucifera Nutrition 0.000 claims description 6
- 244000060011 Cocos nucifera Species 0.000 claims description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims description 6
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 claims description 6
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 6
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 claims description 6
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 6
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003077 lignite Substances 0.000 claims description 6
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005554 pickling Methods 0.000 claims description 6
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 6
- 238000007602 hot air drying Methods 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 3
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 26
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 19
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 abstract description 19
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 abstract description 13
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 abstract 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 18
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 9
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 7
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 4
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 2
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002802 bituminous coal Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/342—Preparation characterised by non-gaseous activating agents
- C01B32/348—Metallic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
- C01B32/205—Preparation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
- C01B32/324—Preparation characterised by the starting materials from waste materials, e.g. tyres or spent sulfite pulp liquor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-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 OR LIGHT-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
-
- 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
Abstract
本发明目的是提供一种孔隙发达、石墨化度较好，制备过程简单，具有明显的石墨化结构，可在电化学储能如双电层超级电容器电极材料领域加以应用的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法。本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法,其将低阶碳源加工成粉末状，并加以干燥；将2—5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，得到混合物。将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气或氩气，让气氛炉以3℃/min—20℃/min的速率升温，将气氛炉升温至900℃—1300℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法。
背景技术
与常规化学电池相比，超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、充放电速率快、工作温限宽等优势，在太阳能、风力发电、新能源汽车、智能电网等应用领域具有广泛的应用。电极材料是超级电容器的关键部件，主要以碳基材料、过渡金属氧化物和高分子聚合物为主。
根据超级电容器比电容、功率与能量的计算公式C＝εA/d、E＝1/2CV2和P＝U2/R(C为比电容，ε与材料的导电率有关，A为比表面积，d为片层间距，U为电解液的工作电压)，可以得出，超级电容器的比电容取决于电极材料的孔隙率和导电性。比表面积越高、导电性越好的电极材料，越可促进电解液离子的表面吸附和电子在电极内部的传输，从而有助于提高超级电容器的比电容、功率密度与能量密度。碳基电极材料由于物理化学性质良好、结构稳定、导电率高、环境友好等优点，在双电层超级电容器中具有广泛的应用，尤其是石墨烯、碳纳米管、介孔碳等碳纳米材料。这些碳纳米材料比表面可达2000-3000m3/g，且具有较高的石墨化度，能够提高导电性，因此常作为超级电容器的电极材料。但是这些碳纳米材料制备成本高、工艺复杂，严重影响了超级电容器的应用范围。
以煤或生物质为原料制备的多孔碳材料，因储量大、原料成本低，为低成本碳基超级电容提供了思路。但常规物理活化或高温碳化等过程制备的煤或生物质基多孔碳材料，孔隙结构不发达(比表面积一般低于1000m3/g)，多以无定型碳为主，难以满足高性能双电层电极材料对孔隙率和石墨化度的要求。
本发明要解决常规煤或生物质基多孔碳材料孔隙度和石墨化度欠发达的问题。以自然界广泛存在、储量丰富、成本低廉的低阶碳源为原料，利用高温氧化性熔盐能够刻蚀低阶碳源的碳质结构，同时促进石墨片层结构生长，协调调控孔隙结构与石墨化度的能力，提出一种碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳酸钾化学活化低级碳源基多孔碳的制备方法，本发明可制备出孔隙发达、石墨化度较高的多孔碳，其发达的孔隙结构和较高的石墨化度有助于电解液离子的表面吸附和电子在电极内部的传输，能够提高超级电容器的比电容、功率密度、能量密度及循环稳定性，其产品在双电层超级电容器电极材料领域具有很好的应用潜力。
在本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其包括如下步骤：
A、将低阶碳源加工成粉末状，并加以干燥，所述低阶碳源包括褐煤、次烟煤、稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素；
B、将2—5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合液烘干，得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气或氩气，让气氛炉以3℃/min—20℃/min的速率升温，将气氛炉升温至900℃—1300℃，然后保温0.5h—6h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行酸洗处理，然后再进行水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
优选的，所述步骤B中是将2.5—4.5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，所述搅拌机搅拌混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液的转速为100r/min—500r/min，将混合液烘干的温度为80℃—200℃。
优选的，所述步骤C中的气氛炉内气体中氮气或氩气的含量在90％以上，气氛炉内充入的氮气或氩气的纯度在99.999％以上，气氛炉内还可通入少量氢气，氢气的含量在10％以下。
优选的，所述步骤A中褐煤、次烟煤、稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素的粒径为80目—200目；对低阶碳源加以干燥的温度为80℃—200℃，干燥时间为5h—24h。
优选的，所述步骤D中是利用盐酸或硝酸进行酸洗，盐酸酸洗液或硝酸酸洗液的浓度为0.2mol/L—3mol/L；所述步骤E中对清洗后的活化产物进行干燥处理为利用热风干燥或真空干燥，干燥温度为80℃—200℃，干燥时间为5h—24h。
优选的，所述步骤A中是利用球磨机将低阶碳源加工成粉末状，球磨机的转速为50r/min—500r/min，球磨时间为5h—4h，球磨罐材质为玛瑙、刚玉或不锈钢。
与现有技术相比较，本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法的有益效果如下：
一、解决常规煤或生物质基多孔碳材料孔隙度和石墨化度欠发达的问题，提出一种碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法。以自然界广泛存在、储量丰富、成本低廉的低阶碳源为原料，利用高温氧化性熔盐能够刻蚀低阶碳源的碳质结构，同时促进石墨片层结构生长的能力，实现了低阶碳源基多孔碳孔隙结构与石墨化度协调发展。
二、本发明通过简单工艺将低阶碳源与碳酸钾均匀混合，经高温化学活化和简单清洗过程，就可得到孔隙发达、石墨化度较好的多孔碳材料，制备过程简单，且易于放大生产；此外，本发明方法通过调控反应温度，就能改变所得多孔碳的孔隙配组与碳结构类型。
三、本发明所得的多孔碳比表面积可达1575m2/g，孔容可达1.11cm3/g，且具有明显的石墨化结构，发达的孔隙结构和较高的石墨化度有助于电解液离子的表面吸附和电子在电极内部的传输，能够提高超级电容器的比电容、功率密度、能量密度及循环稳定性，其产品在双电层超级电容器电极材料领域具有很好的应用潜力。
下面对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其包括如下步骤：
A、将低阶碳源加工成粉末状，并加以干燥，所述低阶碳源包括褐煤、次烟煤、稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素；
B、将2—5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合液烘干，得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气或氩气，让气氛炉以3℃/min—20℃/min的速率升温，将气氛炉升温至900℃—1300℃，然后保温0.5h—6h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行酸洗处理，然后再进行水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
本发明碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法与现有技术相比较，本发明方法的优势在于：
一、本发明制备方法中，利用廉价的低阶碳源为原料，在碳酸钾高温化学活化过程中，碳酸钾一方面刻蚀低阶碳源的碳质结构形成发达的孔隙结构；另一方面高温活化过程产生的钾单质能够插层到碳结构内，从而在***与脱出过程的“渗碳析碳”中催化无定形碳结构向石墨片层结构演变，实现了低阶碳源基多孔碳孔隙与微晶结构的协同发展。
二、本发明通过简单工艺将低阶碳源与碳酸钾均匀混合，经高温化学活化和简单清洗过程，就可得到孔隙发达、石墨化度较好的多孔碳材料，制备过程简单，且易于放大生产；此外，本发明方法通过调控反应温度，就能改变所得多孔碳的孔隙配组与碳结构类型。
三、本发明所得的多孔碳比表面积通常在1575m2/g以上，孔容通常在1.11cm3/g左右，且具有明显的石墨化结构。发达的孔隙结构和较高的石墨化度有助于电解液离子的表面吸附和电子在电极内部的传输，能够提高超级电容器的比电容、功率密度、能量密度及循环稳定性，在双电层超级电容器电极材料领域具有很好的应用潜力。。因此，该发明的产品在双电层超级电容器电极材料领域具有很好的应用潜力。
作为本发明的进一步改进，上述步骤B中是将2.5—4.5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，所述搅拌机搅拌混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液的转速为100r/min—500r/min，将混合液烘干的温度为80℃—200℃。
作为本发明的进一步改进，上述步骤C中的气氛炉内气体中氮气或氩气的含量在90％以上，气氛炉内充入的氮气或氩气的纯度在99.999％以上，气氛炉内还可通入少量氢气，氢气的含量在10％以下。
作为本发明的进一步改进，上述步骤A中褐煤、次烟煤、稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素的粒径为80目—200目；对低阶碳源加以干燥的温度为80℃—200℃，干燥时间为5h—24h。
作为本发明的进一步改进，上述步骤D中是利用盐酸或硝酸进行酸洗，盐酸酸洗液或硝酸酸洗液的浓度为0.2mol/L—3mol/L；所述步骤E中对清洗后的活化产物进行干燥处理为利用热风干燥或真空干燥，干燥温度为80℃—200℃，干燥时间为5h—24h。
作为本发明的进一步改进，上述步骤A中是利用球磨机将低阶碳源加工成粉末状，球磨机的转速为50r/min—500r/min，球磨时间为0.5h—4h，球磨罐材质为玛瑙、刚玉或不锈钢。
实施例1
本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其包括如下步骤：
A、将低阶碳源次烟煤加工成粉末状，得到80—100目粉末状煤粉，也就是粉末状低阶碳源；
B、将3重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，搅拌机的转速为300r/min，然后将混合液烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为20h；得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气，让气氛炉以5℃/min的速率升温，将气氛炉升温至900℃，然后保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行3次酸洗处理，酸洗处理时采用的酸洗液为2mol/L稀盐酸，然后再进行5次水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，干燥处理的温度为100℃，时间为8h，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
通过氮吸附等温线计算得到该低阶煤基多孔碳的比表面积为1609m2/g，孔容为0.94cm3/g；通过微观形貌观测发现该多孔碳的微晶结构除含有大量的无定形碳外，出现类石墨条纹结构。
实施例2：
本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其包括如下步骤：
A、将低阶碳源次烟煤加工成粉末状，得到80—100目粉末状煤粉，也就是粉末状低阶碳源；
B、将3重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，搅拌机的转速为300r/min，然后将混合液烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为20h；得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气，让气氛炉以5℃/min的速率升温，将气氛炉升温至1000℃，然后保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行3次酸洗处理，酸洗处理时采用的酸洗液为2mol/L稀盐酸，然后再进行5次水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，干燥处理的温度为120℃，时间为7h，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
通过氮吸附等温线计算得到该低阶煤基多孔碳的比表面积1631m2/g，孔容为1.06cm3/g，表明随着反应温度提高，所得低阶煤基多孔碳的孔隙结构也有所提高。通过微观结构观察发现该多孔碳表面出现明显的薄片状结构，具有明显的长程有序的类石墨条纹结构，可见在1000℃的反应温度下所制备的多孔碳石墨化度更高。
实施例3：
本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其包括如下步骤：
A、将低阶碳源次烟煤加工成粉末状，得到80—100目粉末状煤粉，也就是粉末状低阶碳源；
B、将3重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，搅拌机的转速为300r/min，然后将混合液烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为20h；得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气，让气氛炉以5℃/min的速率升温，将气氛炉升温至1200℃，然后保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行3次酸洗处理，酸洗处理时采用的酸洗液为2mol/L稀盐酸，然后再进行5次水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，干燥处理的温度为100℃，时间为8h，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
通过氮吸附等温线计算得到该低阶煤基多孔碳的比表面积1575m2/g，孔容为1.24cm3/g，可见随着反应温度提高，孔隙结构发展，孔隙尺寸拓宽，适合较大的有机电解液离子传输。通过微观形貌观测可以看到该实施例所得多孔碳同样具有明显的类石墨烯条纹结构，且占比较高，说明该多孔碳具有较高的石墨化度，适合作为双电层超级电容器电极材料。因此，本发明碳酸钾化学活化低级碳源基多孔碳的制备方法得到的产品在双电层超级电容器电极材料领域具有很好的应用潜力。
实施例4：
本发明的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其包括如下步骤：
A、将低阶碳源木质素粉加工成粉末状，80—100目粉末状木质素粉，也就是粉末状低阶碳源；
B、将3重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，搅拌机的转速为300r/min，然后将混合液烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为20h；得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气，让气氛炉以5℃/min的速率升温，将气氛炉升温至1000℃，然后保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行3次酸洗处理，酸洗处理时采用的酸洗液为2mol/L稀盐酸，然后再进行5次水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，干燥处理的温度为100℃，时间为8h，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
通过氮吸附等温线计算得到该生物质基多孔碳的比表面积1644m2/g，孔容为1.61cm3/g。通过微观结构观测发现该生物质基多孔碳同样呈现大面积的薄片状结构，石墨化度较高。相比于低阶煤，该方法对生物质原料的调控效果更明显，在相对较低的温度下就可实现孔隙发展与石墨化结构形成。
对比例1：
本对比例1的低阶煤基焦炭根据常规高温碳化工艺制备，即制备过程不添加碳酸钾活化剂，具体按以下步骤进行：
A、将准东次烟煤粉依次进行破碎、研磨、筛分和干燥，得到80—100目粉末状煤粉。
B、将步骤A中的粉末状煤粉置于气氛炉内，将气氛炉以5℃/min升温速率升温至1000℃并保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到碳化产物。
C、将碳化产物依次进行酸洗处理3次，酸洗处理时采用的酸洗液为0.5mol/L稀盐酸，然后再进行水洗处理3次，得到清洗后的碳化产物。
D、将清洗后的碳化产物进行热风干燥处理，干燥处理的温度为100℃，时间为8h，即得到低阶煤基焦炭；
通过氮吸附等温线计算得到该低阶煤基焦炭的比表面积仅为176m2/g，孔容为0.13cm3/g，通过微观结构观测所得低阶煤煤基焦炭为典型的无定形结构。不论孔隙度还是石墨化度，都远低于本发明的各个实施例。可见，当不添加碳酸钾活化剂，仅通过直接碳化工艺，不能实现孔隙与微晶结构协同发展。
Claims (6)
1.碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、将低阶碳源加工成粉末状，并加以干燥，所述低阶碳源包括褐煤、次烟煤、稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素；
B、将2—5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，再将混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合液烘干，得到混合物；
C、将步骤B得到的混合物的置于气氛炉内，气氛炉内充有氮气或氩气，让气氛炉以3℃/min—20℃/min的速率升温，将气氛炉升温至900℃—1300℃，然后保温0.5h—6h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
D、将步骤C得到的活化产物进行酸洗处理，然后再进行水洗处理，得到清洗后的活化产物；
E、将步骤D得到的清洗后的活化产物进行干燥处理，即得到碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳。
2.根据权利要求1所述的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤B中是将2.5—4.5重量份的碳酸钾溶解于水中，得到碳酸钾溶液，然后向碳酸钾溶液中加入1重量份的步骤A得到的粉末状低阶碳源，所述搅拌机搅拌混入了粉末状低阶碳源的碳酸钾溶液的转速为100r/min—500r/min，将混合液烘干的温度为80℃—200℃。
3.根据权利要求2所述的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤C中的气氛炉内气体中氮气或氩气的含量在90％以上，气氛炉内充入的氮气或氩气的纯度在99.999％以上，气氛炉内还有氢气，氢气的含量在10％以下。
4.根据权利要求3所述的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤A中褐煤、次烟煤、稻壳、竹粉、椰壳、木粉、树叶、木质素、纤维素的粒径为80目—200目；对低阶碳源加以干燥的温度为80℃—200℃，干燥时间为5h—24h。
5.根据权利要求4所述的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤D中是利用盐酸或硝酸进行酸洗，盐酸酸洗液或硝酸酸洗液的浓度为0.2mol/L—3mol/L；所述步骤E中对清洗后的活化产物进行干燥处理为利用热风干燥或真空干燥，干燥温度为80℃—200℃，干燥时间为5h—24h。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤A中是利用球磨机将低阶碳源加工成粉末状，球磨机的转速为50r/min—500r/min，球磨时间为0.5h—4h，球磨罐材质为玛瑙、刚玉或不锈钢。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010715641.0A CN111977651A (zh) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010715641.0A CN111977651A (zh) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111977651A true CN111977651A (zh) | 2020-11-24 |
Family
ID=73439402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010715641.0A Pending CN111977651A (zh) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111977651A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113603078A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-05 | 山东能源集团有限公司 | 一种多孔碳、其制备方法及其应用 |
| CN113998697A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-02-01 | 中国矿业大学 | 一种树叶基氮掺杂多孔炭的制备方法及其在全pH范围内氧还原电催化中的应用 |
| CN114890420A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-12 | 太原理工大学 | 一种煤基新型多孔碳电极材料的制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140220459A1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-08-07 | Sony Corporation | Electrode material, electrode, and battery |
| CN109384223A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-02-26 | 北京理工大学 | 一种无机盐衍生多孔碳电极的制备 |
| CN109835900A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-06-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法 |
| CN110330016A (zh) * | 2019-08-10 | 2019-10-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种无烟煤基多孔碳石墨微晶和孔隙的一步协同发展方法 |
| CN110342512A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-10-18 | 华中科技大学 | 一种有机固体废弃物掺氮水热及活化制备高性能多孔碳材料的方法 |
| CN110745824A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于微量钾源催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法 |
-
2020
- 2020-07-23 CN CN202010715641.0A patent/CN111977651A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140220459A1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-08-07 | Sony Corporation | Electrode material, electrode, and battery |
| CN109384223A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-02-26 | 北京理工大学 | 一种无机盐衍生多孔碳电极的制备 |
| CN109835900A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-06-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于碳酸钾循环活化的煤基多孔碳的制备方法及生物质基多孔碳的制备方法 |
| CN110342512A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-10-18 | 华中科技大学 | 一种有机固体废弃物掺氮水热及活化制备高性能多孔碳材料的方法 |
| CN110330016A (zh) * | 2019-08-10 | 2019-10-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种无烟煤基多孔碳石墨微晶和孔隙的一步协同发展方法 |
| CN110745824A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于微量钾源催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113603078A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-05 | 山东能源集团有限公司 | 一种多孔碳、其制备方法及其应用 |
| CN113998697A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-02-01 | 中国矿业大学 | 一种树叶基氮掺杂多孔炭的制备方法及其在全pH范围内氧还原电催化中的应用 |
| CN113998697B (zh) * | 2021-11-03 | 2023-09-29 | 中国矿业大学 | 一种树叶基氮掺杂多孔炭的制备方法及其在全pH范围内氧还原电催化中的应用 |
| CN114890420A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-12 | 太原理工大学 | 一种煤基新型多孔碳电极材料的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108101051B (zh) | 一种超级电容器用海藻基活性炭前驱体的制备方法 | |
| CN111977651A (zh) | 碳酸钾化学活化低阶碳源基多孔碳的制备方法 | |
| CN110467182B (zh) | 一种基于反应模板的多级孔碳基材料及其制备方法和应用 | |
| CN108217733B (zh) | 一种碳-二氧化锰复合材料的制备方法 | |
| 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 | |
| CN107555430B (zh) | 一种超级电容器用松针基活性炭及其一步炭化制备方法 | |
| CN109467082B (zh) | 一种石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料的制备方法 | |
| CN108455596B (zh) | 一步炭化法制备高比表面积富氮多级孔炭材料的方法及其应用 | |
| WO2023104141A1 (zh) | N/o共掺杂的硫化钼@多孔碳复合电极材料及其制备方法、负极材料及其制备方法和应用 | |
| CN113307254A (zh) | 采用低温双盐化合物制备三维多孔石墨烯片的方法及应用 | |
| CN111268677A (zh) | 一种新型锂离子电池负极材料碳化葡萄籽的制备方法及应用 | |
| CN109384229A (zh) | 一种面向高能量密度超级电容用磷掺杂多孔炭电极材料的制备方法 | |
| CN108975328B (zh) | 一种两步预碳化制备氮氧共掺杂生物质多孔碳材料的方法 | |
| CN114890420A (zh) | 一种煤基新型多孔碳电极材料的制备方法 | |
| Li et al. | A new synthesis of O/N-doped porous carbon material for supercapacitors | |
| CN107732209B (zh) | 一种以混合菌渣废料制备锂离子碳负极材料的方法 | |
| Liu et al. | Modulating pore nanostructure coupled with N/O doping towards competitive coal tar pitch-based carbon cathode for aqueous Zn-ion storage | |
| CN111710529B (zh) | 一种Co/Mn-MOF/氮掺杂碳基复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN113072066B (zh) | 一种多孔碳材料及其制备方法与超级电容器 | |
| CN113371709A (zh) | 一种稻壳基高比表面积生物炭材料的制备方法 | |
| CN105060287A (zh) | 一种超级电容器用相互连接的且卷起的网状石墨烯材料的制备方法 | |
| CN106058254B (zh) | 一种钠离子电池负极材料用生物碳/碳纳米管的制备方法 | |
| WO2023116261A1 (zh) | 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法 | |
| CN112635202A (zh) | 一种钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极及其制备方法和应用 | |
| CN111302326A (zh) | 一种铅碳电池用氮掺杂分级多孔碳材料及其制备方法 |
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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201124 |