[发明专利]一种负载过渡金属的活性炭电极材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于材料科学和电化学科学技术领域，具体涉及一种负载过渡金属的活性炭电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着科学技术的发展，人类生活环境的提高，对能源的要求也越来越多样化，也要求储能设备具有更高的能量密度和功率密度，来替代或者辅助当前使用的能源装置，电化学电容器作为一种能量密度和功率密度介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，引起广泛的关注和研究。

电化学电容器有着无可比拟的优点：与传统电容器相比，容量密度大得多，比同体积电解电容器容量大2000～6000倍；与电池相比，功率密度高得多，可作为功率辅助器，供给大电流；充放电效率高，超长寿命，充放电大于40万次；温度范围较宽，免维护，环境友好等特点。

电化学电容器按储能原理可以分为两类：双电层电容器(Electric double layer capacitor)和赝电容器(Pseudo capacitor)，双电层电容器是利用多孔材料表面和电解质之间形成的双电层电容来存储能量的，赝电容器又叫法拉第准电容器是指在电极表面或者体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应。

电化学电容器研究的电极材料主要有三类：炭基材料、金属氧化物材料以及导电聚合物材料。活性炭材料以其资源丰富，价格低廉，吸附性能优异，生产工艺成熟，具有高的比表面积和良好的电化学稳定性在电化学电容器上得到了广泛的商用。研究表明，活性炭材料的比表面积和孔径结构是决定电化学电容器性能的关键因素，用高比表面积(3000-4000m²/g)活性炭时，材料以小于2nm的微孔为主，由于扩散阻力的影响，电解质离子在极微小的孔内部吸附与脱附受阻，难以形成有效的双电层，使活性炭比表面积利用率降低，所以高比表面积活性炭，其比电容实际增量有限；用中孔活性炭作为电极材料，虽然比表面积的利用率较高，但其比表面积远低于高比表面积活性炭，因而双电层储能的能力也有限。

为了进一步提高炭材料的比电容，人们利用炭材料与金属氧化物混合形成炭-金属氧化物复合材料，通过双电层电容和过渡金属赝电容的共同作用，使复合材料的比电容明显高于炭材料，大量文献报道了通过物理混合方法，炭材料与RuO₂、NiO、CoO、MnO₂等过渡金属氧化物制备复合材料，电容性能有所提高，特别是RuO₂的效果最为明显，但钌作为贵金属材料，昂贵的价格限制了其应用领域，在其它金属氧化物的研究中发现氧化镍表现出较高的比电容和稳定的电化学性能，与物理混合方法相比，通过化学吸附改性修饰活性炭得到复合材料性能良好，至今为止，在国内外研究中，利用化学改性使NiO和Ni共同作用修饰活性炭，并作为电化学电容器电极材料的研究讨论尚无相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负载过渡金属的活性碳电极材料的制备方法及其应用。

本发明提出的负载过渡金属的活性碳电极材料的制备方法，利用无机金属盐溶液浸渍法和高温热解对活性炭进行改性处理，该方法制备的改性活性炭提高了原材料比电容，且化学性能稳定，作为电化学电容器电极材料有着广泛的商用价值。

本发明提出的负载过渡金属的活性碳电极材料的制备方法，具体步骤如下：

配制浓度为0.5-10wt％的无机金属盐溶液，接着向其中加入活性炭，搅拌6-12小时，然后浸渍6-48小时，过滤，在100-150℃温度下干燥，将干燥后的产物置于管式炉中，在氮气、氩气或氦气等保护下，以10-30℃/min的升温速率升到200-800℃对混合物进行热处理，并在该温度下反应0.5-3小时，冷却，即得所需产品；其中：每100ml的无机金属盐溶液中活性炭的加入量为1-10克。

本发明中，所述活性炭为粉末活性炭。

本发明中，所述无机金属盐为Ni(NO₃)₂。

利用本发明方法制备得到的活性碳电极材料在电化学电容器中的应用。

采用浸渍法和热分解法在活性炭中负载金属NiO/Ni制备的电极材料，电化学电容器在充放电时既可以通过活性炭双电层储存电荷形成双电层电容，也可利用过渡金属氧化物NiO的氧化还原反应储存电荷形成准电容，提高活性炭的总电容量，且负载的金属原子Ni有利于提高电极材料的导电特性。本发明方法制备的负载过渡金属NiO/Ni活性炭电极的比电容与原样活性炭最高增加了42％。

附图说明