[发明专利]基于竹笋壳的活性炭材料的制备工艺及其在超级电容器中的应用

说明书

本发明公开了一种基于竹笋壳的活性炭材料的制备工艺及其在超级电容器中的应用。所述制备方法包括：1）竹笋壳的清洗和干燥；2）高温碳化处理竹笋壳后，酸洗去除微量元素，使用去离子水清洗至中性、干燥；3）碳化竹笋壳粉末与活化剂混合物经过高温活化、酸处理、去离子水清洗及干燥后，制得了一种基于竹笋壳的活性炭材料。本发明所述的基于竹笋壳的活性炭材料被应用于超级电容器中，该超级电容器显示了典型的超级电容器电化学行为以及良好的充放电稳定性。

技术领域

本发明属材料制备技术领域，具体涉及一种基于竹笋壳的活性炭材料的制备工艺，及制备的活性炭在超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器作为一种介于传统电容器和可充电电池之间的新型储能器件，因其具有高功率密度，长循环寿命，快速充电/放电能力，优异的速率性能以及低成本等多种优势，受到了工业界和学术界的极大关注。目前，超级电容器在数字无线设备，内存备份系统，混合动力电动汽车等诸多领域已经被广泛应用。随着超级电容器应用的进一步发展，超级电容器已成为目前最有发展前景的能量存储系统之一。众所周知，电极材料是决定电化学电容器性能的主要因素，因此电极材料的研究工作一直是该领的研究热点。目前，活性炭材料因其具有易加工性，更高的丰度、低成本以及高表面积和孔隙率，被广泛应用于超级电容器。活性炭材料主要来自化石燃料和木材等，然而，化石燃料资源有限且不可再生，过度砍伐森林也会导致严重的环境问题。生物质基植物材料作为可再生资源因其成本低、易得、环保和结构上多孔等优势，受到了极大关注。

竹笋壳作为一种主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的生物质材料，通常被作为废弃生物质处理，而中国作为竹子资源丰富的国家，每年将产生大量的废弃竹笋壳。鉴于此，本发明将竹笋壳变废为宝，通过将竹笋壳经过高温炭化和活化工艺处理后，得到一种基于竹笋壳的活性炭材料，进一步降低活性炭成本，成为超级电容器用电极活性炭制备的候选材料。

发明内容

本发明的创新性在于提供了一种基于竹笋壳的活性炭材料的制备工艺，将竹笋壳变废为宝，降低了活性炭的成本，并将制备的活性炭材料应用于超级电容器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于竹笋壳的活性炭材料的制备工艺，其特征在于，包括以下制备步骤：

1）先将竹笋壳原料用去离子水超声5～20 min，清洗干净，确保所有灰尘杂质完全去除。然后将其置于干燥箱中干燥，得到干燥后的竹笋壳；

2）将步骤1）中得到的干燥后的竹笋壳剪碎，称取适量竹笋壳碎片置于惰性气体保护管式炉中。高温热解后，在惰性气体保护下炉冷至室温。将热解产物用10 wt% HCl 浸泡并煮沸，然后过滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性。再将产物在100～120 ℃下干燥4～48 h, 得到基于竹笋壳的炭化材料。

）将步骤3）中得到的基于竹笋壳的炭化材料与活性剂混合，将其用研钵研磨 15～30 min研磨碎，且使其混合均匀。将混合物置于镍坩埚中，放入管式炉，通入惰性气体保护。设置升温速率为5 ℃/min，先升温至400 ℃保温30 min，再升温至800 ℃保温1～2 h，在氩气保护下，待冷却至常温，把活化产物用10 wt% HCl，接着用去离子水清洗到滤液接近中性。最后将其在温度100～120 ℃下干燥4～48 h，制得基于竹笋壳的活性炭粉末材料。

优选地，步骤1）中所述的竹笋壳原料包括各种新鲜竹笋壳中的一种或者多种。

优选地，步骤1）中干燥温度为90～120 ℃，干燥时间为4～48 h。

优选地，步骤2）和步骤3）中使用惰性保护气体为氩气或者氮气。

优选地，步骤2）中高温热解温度为500～650 ℃，时间为2～3 h，升温速率为5～10℃/min。

优选地，步骤3）中所述活性剂为KOH和NaOH混合物或者两者中的至少一种。