[发明专利]一种利用络合过程制备铜金属掺杂活性炭的方法

说明书

技术领域

本发明属于化工及环境保护领域,具体涉及一种利用络合过程制备铜金属掺杂活性炭的方法。

背景技术

活性炭是一种常用多孔材料，其原材料来源广泛，包括自然界生物质以及酚醛树脂等合成聚合物，同时由于其比表面积高、化学稳定性好、易被极化，现已广泛应用于超级电容器电极材料领域。超级电容器的工作机理是双电层机理，即当对活性碳电极施加外电压时，电极带上相应的正电荷或负电荷，然后吸引电解液中带有相反电荷的离子吸附在电极表面，最终在电极表面形成了双电层。当电极表面净电荷为零，则完成了一次充电过程，将该电容器接入外电路中，则完成放电过程。不同于电池等电化学装置，超级电容器没有发生法拉第反应，只是简单的通过电荷的吸附和脱附来完成充放电过程，具有循环性好、使用寿命长、无化学污染等优点。

但是由于受到活性炭比表面积极值以及孔径尺寸分布的限制，活性炭电极具有很低的比电容值（0.15-0.4 F/m²或150 F/g），无法满足日常生活中的要求。为改善这一情况，许多研究者开始对活性炭进行金属掺杂。掺杂的金属或者金属氧化物可以发生法拉第反应（氧化还原反应），产生准电容值，使活性炭电极的电容不仅包括双电层电容值还包括准电容值，从而达到了提高活性炭电极电容值的目的。孟[1]等人以酚醛树脂为碳原料，将醋酸铜以物理混合方法掺杂进去，电极电容值提升了25 %（150 F/g）。张[2]等人通过化学沉淀的方法将二氧化钌氧化物掺杂入活性炭，而且当二氧化钌氧化物的质量分数达到35 %时电容值提升至350 F/g。Jang[3]等人用化学沉积方法将二氧化钌氧化物成功掺杂入活性炭中，电极电容值提升至243F/g。

这些掺杂方法存在着一定的不足之处，就是金属或者金属氧化物无法均一分布于活性炭中，或者操作过程较复杂（例如化学沉积），并存在着有机试剂污染等危害。

[1] Qinghan Meng, Ling Li, Huaihe Song Journal of Applied Electrochemistry2006,36, 63。

[2] Jianrong Zhang, Dechen Jiang, Bin Chen, Junjie Zhu, Liping Jiang, Huiqun Fang Journal of the Eletrochemical Society2001, 148, A1362。

[3] Jong H.Jang, Sangjin Han, Taeghwan Hyeon, Seung M. Oh Journal of Power Sources2003, 123, 79。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、无污染，成本低的利用络合过程制备铜掺杂活性炭的方法。

本发明提供的利用络合过程制备铜掺杂活性炭的方法，具体步骤包括：

配制质量浓度为3wt%-15wt%的盐酸羟胺或羟胺溶液，用碳酸钠调节盐酸羟胺溶液的酸度值至7；

在30-70℃下，将聚丙烯腈原料加入调配好的盐酸羟胺或羟胺溶液，进行官能化反应，反应时间为0.5-3h，得到官能化产物；将其置于铜离子水溶液中搅拌过夜进行络合，抽滤得到铜离子掺杂聚丙烯腈；

然后于氮气氛围下对其进行化学活化，最终得到铜掺杂活性炭。

所述活化过程所用活化剂为氢氧化钾，聚丙烯腈/活化剂质量比为10wt%-150wt%，升温速率为1-5℃/min，活化温度为500-800℃，活化时间为0.5h-2h。

本发明中，所述铜离子水溶液由可溶性铜盐配制得到，包括硫酸铜，五水硫酸铜，醋酸铜，氯化铜，硝酸铜等含有铜离子的强电解质盐；或者由难溶性铜盐加入配体溶解制得。

有益效果：

本发明的方法可使金属铜离子均一的引入活性炭，能有效提高活性炭材料的比电容值，同时该方法操作简单，不存在有机试剂污染，而且相对于稀有金属，铜离子价格较低且较易获得，可以降低实验成本。

具体实施方式

比较例：将聚丙烯腈粉末与活化剂氢氧化钾按照质量比为1:1混合均匀，然后于氮气氛围800℃下进行活化60min，升温速率为5℃/min，经稀盐酸洗涤后得到活性炭产物，其比表面积为2241m²/g，电极电容值为208.3F/g。