[发明专利]一种提高低品质活性炭孔隙率的方法

说明书

本发明公开了一种提高低品质活性炭孔隙率的方法，该方法是将低品质活性炭先置于短链烷烃气氛中热解，再置于还原气氛中还原。该方法利用孔隙率低、微孔比例高的低品质活性炭通过扩孔获得高孔隙率及高介孔和大孔比例的高品质活性炭，经过该方法处理的低品质活性炭可以应用于超级电容器，大幅度降低了超级电容器的生产成本，且提高了超级电容器容量，如在Et₄NBF₄/AN体系中，能量密度可达21.67Wh/kg，电压窗口为2.7V，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种活性炭改性方法，特别涉及一种由椰子壳等生物质原料热解、物理活化获得的孔隙率较低、微孔含量高的低品质活性炭通过气相调控获得高孔隙率、高介孔和大孔比例的碳材料的方法，属于高品质碳材料制备技术领域。

背景技术

2012年中国超级电容器市场规模仅仅为16.3亿元，2015年中国超级电容器市场规模增长至66.5亿元。到了2016年中国超级电容器市场规模达到81.8亿元。截止至2018年中国超级电容器市场规模突破120亿元。2019年中国超级电容器市场规模将达新高峰。超级电容器是人类生活必不可少的储能器件。而碳材料是超级电容器主要的核心材料，由于超级电容器一般采用的电解液是有机电解液，其溶质离子比水系离子要大，因此满足超级电容器的碳材料一般需较大孔径、高孔隙率的碳材料。现有技术中，获得大孔径、高孔隙率的碳材料主要通过活化作用来实现。现有的活化过程主要有化学活化和物理活化。化学活化作用对碳材料的孔隙率提高明显，但是在化学活化过程中由于采用腐蚀性化学活化剂必然会导致设备腐蚀，且需要用大量水冲洗碳材料，使碳材料保持中性或者去除阴离子，因此设备投资成本高，且容易产生大量废水，不利于工业化生产。因此，在现有技术中，碳材料的化学活化方法在大规模生产中逐渐被物理活化代替。物理活化方法对设备腐蚀性小，且绿色环保，然而，物理活化普遍采取氧气、水蒸气、二氧化碳等气体进行活化，这些气体的活化效果没有化学活化法的活化效果明显，通过物理方法活化制备碳材料的孔隙率低，很难得到高品质的活性炭，而难以满足现有超级电容器的应用需求。因此，通过物理活化法获得的碳材料，进一步进行扩孔作用提高其电化学性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中物理活化方法制备的碳材料由于孔隙率低、微孔含量高、品质低，难以满足超级电容器应用要求的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用孔隙率低、微孔比例高的低品质活性炭通过扩孔获得高孔隙率及高介孔和大孔比例的高品质活性炭的方法，经过该方法处理的低品质活性炭可以应用于超级电容器，大幅度降低了超级电容器的生产成本，提高了超级电容器容量，如在Et₄NBF₄/AN体系中，能量密度可达21.67Wh/kg，电压窗口为2.7V，具有较高的应用价值。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种提高低品质活性炭孔隙率的方法，该方法是将低品质活性炭先置于短链烷烃气氛中热解，再置于还原气氛中还原。通过在短链烷烃气氛中热解以及还原气氛中还原，可以实现扩孔作用，以获得高孔隙率及高介孔和大孔比例的高品质活性炭。

优选的方案，所述低品质活性炭为微孔比例高的低孔隙率活性炭。常见的低品位活性炭，如椰子壳经过高温热解、二氧化碳活化获得的活性炭材料。

优选的方案，所述短链烷烃包括C₄～C₆烷烃。烷烃可以选择直链烷烃或者带支链的烷烃或者环烷烃。相对C₄～C₆烷烃的烷烃，甲烷和乙烷等烷烃碳化合数较低，氧化性较低，反应活性不高，且操作时危险性较高，而其他碳数更高的有机物，氧化性过强，不适合用于活性炭的氧化扩孔作用。

优选的方案，所述热解条件为：以3～5℃/min的升温速率升温至400～600℃，保温1～4h。

优选的方案，所述还原气氛为氢气气氛。

优选的方案，所述还原条件为：以3～5℃/min的升温速率升温至400～600℃，保温1～4h。