[发明专利]利用桑杆炭热解活化制备多孔石墨烯电极材料的方法

说明书

本发明提供了利用桑杆炭热解活化制备多孔石墨烯电极材料的方法，属于生物质活性炭材料制备技术领域。该方法是以桑树杆炭化为碳源，以过热蒸气、二氧化碳、氢氧化钾为活化剂，将四种物质混合后统一输送到高温热解设备中进行热解活化，最后直接制得多孔石墨烯电极材料。本发明具有原材料丰富，碳含量高，工艺简单，成本低廉，适合工业化规模生产等优点，本发明制备的多孔石墨烯电极材料可作为超级电容器用的储能电极纳米材料，表现出了较高的功率能量密度和电储能容量。

技术领域

本发明属于生物质活性炭材料制备技术领域，具体涉及利用桑杆炭热解活化制备多孔石墨烯电极材料的方法。

背景技术

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法。与传统电容器相比，它具有较大的容量、比能量或能力密度，较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。超级电容器与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、充放电速率快、安全免维护、绿色环保等优点。超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。它主要由集流体负载多孔纳米材料构成的电极、置于两个电极间的隔膜和电解液组成。

目前，国内做高端超级电容的电极材料都是采用椰壳活性炭制备，椰壳是一种优质活性炭原料，椰壳活性炭具有出色的吸附性能。椰壳活性炭是果壳质活性炭中品质最高的，为无定形颗粒，不但具有很好的吸附性能，而且具有很高的机械强度。椰壳炭具有高的吸附容量和大的微孔容积，但原料来源主要是靠东南亚国家(马来西亚、印尼、越南等)进口，原料来源受到国外限制，成本高。

发明内容

本发明提供了利用桑杆炭热解活化制备多孔石墨烯电极材料的方法，针对现有多孔石墨烯材料直接制备技术中存在的不足和原料来源不足问题，原料来源丰富，热解活化制备活性炭工艺简单，生产成本低廉、适合工业化规模生产，制备的多孔石墨烯电极材料可作为超级电容器用的储能电极纳米材料。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

利用桑杆炭热解活化制备多孔石墨烯电极材料的方法，包括：

(1)收集桑树杆，进行高温炭化，粉碎得到固体颗粒粒径在3mm以下的初级桑杆炭破碎粉。

(2)将初级桑杆炭破碎粉粉碎成粒度D50 1500目以上(10μm以下)的超细炭粉。

(3)将超细炭粉加入化学活化剂浸渍、混合、搅拌、活化时间为1小时，然后将得到的化学活化混合物与物理活化气体混合，经500～800℃温度热解活化处理后，最后在惰性气体的保护下冷却得到多孔石墨烯电极材料。

进一步优化，步骤(1)中，将桑树杆在隔绝空气的条件下经500℃以上高温加热分解加工出炭化原料产品。

进一步优化，步骤(1)中，所述初级桑杆炭破碎粉含水量小于5％。

进一步优化，步骤(3)中，所述化学活化剂为氢氧化钾饱和溶液。

进一步优化，步骤(3)中，化学活化剂与超细炭粉的质量配比为2：1。

进一步优化，步骤(3)中，所述物理活化气体包括过热蒸气和二氧化碳。

进一步优化，过热蒸气和二氧化碳按1:1的体积比混合并使经化学活化后的炭粉和混合气体压力保持在压差条件下热解活化气流输送。

进一步优化，所述过热蒸气压力0.5～2.5MPa，温度250～600℃。

进一步优化，步骤(3)中，所述惰性保护气体为氮气。

进一步优化，步骤(3)中，所述经500～800℃温度热解活化处理，是由外部电磁加热方式对热裂解设备内热媒体介质进行加热的。