[发明专利]一种基于PVA凝胶的交联多孔活性炭的制备方法

说明书

本发明公开了一种关于PVA凝胶的交联多孔活性炭的制备方法，采用两步法制备相互交联多孔碳。首先以去离子水为溶剂、PVA为原料，加入适量的的氢氧化钾溶液制备出干PVA凝胶；随后在700℃保温活化，制得相互交联多孔活性炭。所制备出的活性炭较为蓬松，具有独特的交联多孔结构，活性位点多，电化学性质良好，在电流密度为0.5 A/g时，比电容值为380 F/g。本发明可使用废弃的PVA为原料，具有性能好、环保、成本低的优点。

技术领域

本发明涉及电容器电极材料制备及应用领域，具体涉及采用管式炉一步活化法制备交联多孔活性炭，该材料可应用于超级电容器方面。

背景技术

随着经济社会的发展，能源短缺问题日益显著，新能源和高效能源存储是解决能源短缺的有效途径。超级电容器作为绿色能源存储设备，具有较高的功率密度和优异的循环稳定性，已经成为当前研究和开发的热点。超级电容器的电极材料可分为金属氧化物、导电聚合物、碳材料等。活性炭作为电容器电极的一类材料，具有电化学性能稳定、比表面积高、原料来源广泛和价格低廉等优点，受到超级电容器研究领域的关注。中国专利CN110423348B报告了磷钼酸/聚合物复合导电水凝胶的制备应用于超级电容器,利用磷钼酸、无水氯化铁、交联剂、异丙醇和聚合物单体制备出电极材料，所制备的导电水凝胶电极材料所用的试剂较多，成本偏高。中国专利CN112670095A报告了氧化石墨烯和芳基二胺为原料通过两步水热得到石墨烯水凝胶，再通过高温活化制备出三维多孔活性炭，应用于超级电容器具有优异的电化学性质。但是由于该技术方案主体材料有氧化石墨烯，价格昂贵，所用的方法为两步水热法和一步高温煅烧，方法复杂、费时费力。

从上述举例中可以看出制备电极材料的方法众多，原料多种多样，但是活性炭是超级电容器商业应用的重要材料，超级电容器的电极材料的结构、比表面积和孔隙结构对电化学性能有重要的影响。本申请与上述的报道不同，本发明人使用的聚乙烯醇(简称PVA)外观为白色颗粒，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间，廉价易得；申请人将PVA作为主体材料、去离子水作为溶剂，氢氧化钾作为活化剂，首先制备出凝胶，再通过高温煅烧制备出交联多孔活性炭，该活性炭孔隙率高，可以提供更多的电化学活性位点。并且所获得的电极材料具有高比电容和实际应用价值。本发明也可使用废旧PVA作为原料，具有废物再利用的优点，实验方法简单、成本低，可大规模生产。

发明内容

基于现有碳材料中的孔隙结构的问题，本发明提供了一种由PVA凝胶通过一步活化法制备出三维交联多孔活性炭，从而获得优异的空隙结构和大的比表面积，将其作为超级电容器的电极材料可以获得良好的电化学性能。

PVA凝胶的合成步骤如下：

称取3~10 g的PVA溶于15~30 mL去离子水中，用锡箔纸封口，转移到80℃烘箱中保温10~12 h；再将温度升至110℃让PVA水溶液熔化膨胀20~30 min，搅拌5~10圈，防止凝胶粘在容器壁上；在110 ℃下保温2 h，每间隔15~20 min搅拌一次；当凝胶膨胀结束后取出，边搅拌边滴加配制的10~20 mL 的80℃氢氧化钾溶液，保持PVA:KOH质量比为1:3，10 min滴加完毕，继续搅拌2 h，超声2~3 h，氢氧化钾PVA凝胶制备完毕，放入烘箱中烘干得到干凝胶。

PVA凝胶的高温活化实验如下：

将上述制备的干PVA凝胶转移至管式炉中升温到500~700℃下保温2 h，再随炉降至室温后，取出样品研磨成粉末，用2 mol/L盐酸清洗两遍，再用去离子水清洗至中性，洗好的样品放入60℃烘箱中24 h。

电化学性能测试步骤：

将上述由PVA凝胶制备的交联多孔活性炭作为超级电容器的电极材料，选取6mol/L KOH作为电解质溶液，检测其电化学性质。实验测量方法包括：循环伏安法(CV)、恒电流充放电法(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)；选用汞-氧化汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，涂在泡沫镍上的多孔活性炭材料作为工作电极，测试在电化学工作站（CHI600E）上进行。