[发明专利]生物质活性炭、电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物质活性炭、电极及其制备方法和应用。该生物质活性炭的制备方法包括以下步骤：(1)将生物炭与碱的混合物于500～900℃下进行第一次活化，得前驱体A；(2)将前驱体A在氧化性气体的气氛中于500～900℃下进行第二次活化，得前驱体B；(3)将前驱体B洗涤至中性后干燥，得前驱体C；(4)将前驱体C炭化，即得生物质活性炭。该制备方法制得的生物质活性炭同时具有高比表面积和高中孔比，用其制备的电极用于超级电容器时，比容大，电容保持率高。

技术领域

本发明涉及一种生物质活性炭、电极及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种介于电池和传统电容器间的新型储能介质，根据电能的存储与转化机理，分为双电层电容与赝电容。双层电容目前主要采用了具有高比表面的多孔活性炭颗粒作为电极材料。从活性炭的孔径来讲，活性炭分为微孔、中孔和大孔。一般认为微孔为2nm的孔，中孔(介孔)是2～50nm的孔，大孔是50nm的孔。微孔可以提供较大的比表面积，用于超级电容中提供较大的比电容，但是孔隙较小，导致像倍率性能这样的动力学性能不高和循环性寿命差。中孔活性炭相对于微孔活性炭在动力学性能和循环性方面有更大优势，但是中孔活性炭一般比表面积较低，从而存储的能量少。因此制备超级电容用的活性炭应该具有较大比表面积同时兼顾适当中孔比。

生物质活性炭是指以生物质为原料制备的活性炭，原料来源丰富，价格低廉，一般是农林业废弃物，例如枣核、核桃壳、胡桃壳、废茶叶、玉米芯、椰壳、甜菜根、花生壳、稻壳、棉花核、香蕉皮、竹废料、橄榄核、樱桃核、桔子皮、玉米秸秆、咖啡豆荚和木薯皮等。以生物质为原料制备活性炭还实现了废弃资源的再利用。因此，近年来生物质活性炭的制备和应用受到了广泛关注。生物质活性炭具有良好的导热和导电性能、化学稳定性好、热膨胀系数小等优点，在电化学领域具有广阔的应用前景。

制备生物质活性炭最常用的方法主要有物理活化和化学活化。物理活化是将原料经过炭化后再进行物理方法的活化，在碳材料表面和内部形成发达的孔隙结构。物理活化一般分两步进行：首先对原料进行炭化处理，以除去其中的可挥发成分，使之生成富碳的固体热解物；然后用合适的氧化性气体(如水蒸气、CO₂、O₂或空气)对热解物进行活化处理，使富碳的热解物开孔、扩孔和创造新孔，从而形成发达的孔隙结构。物理活化法对环境污染小，但物理活化反应速度慢，反应时间长，反应能耗大；并且因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构，活化主要是外表面活化，因此很难得到高比表面积活性炭。

化学活化是通过化学试剂如KOH、ZnCl₂等与原料发生一系列的交联、缩聚、氧化等反应，进而创造出丰富微孔。化学活化需要较低的温度，活化产率高，通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性炭。但化学活化得到的活性炭中以微孔为主，用于超级电容器时倍率性能不良，寿命较短。另外，大剂量化学试剂的使用提高了制备成本，高温下对设备有较强腐蚀作用，在洗涤过程中需要大量水，这些废水经过复杂处理工艺后才能达到环保排放要求，经济性和环保性难以满足要求。化学活化制得的活性炭中还可能残留化学药品活化剂，使应用受到限制。

因此，制备具有高比表面积和高中孔比的生物质活性炭是生物质活性炭在超级电容方面应用的一个重要研究方向。

发明内容

本发明为了解决现有的生物质活性炭不同时具有高比表面积和高中孔比，在超级电容器中的应用受限的缺陷，从而提供了一种生物质活性炭的制备方法，该制备方法制得的生物质活性炭同时具有高比表面积和高中孔比，用其制备的电极用于超级电容器时，比容大，电容保持率高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种生物质活性炭的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将生物炭与碱的混合物于500～900℃下进行第一次活化，得前驱体A；其中，所述生物炭与所述碱的质量比为1:(0.5～5)；