[发明专利]磺化沥青基活性炭及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种磺化沥青基活性炭及其制备方法和应用，属于活性炭技术领域。 

背景技术

双电层电容器具有成本低、比电容大、充放电简单且循环寿命长等优点，成为近年来发展很快的一种新型储能元件。典型的炭电极材料有：活性炭、炭纤维、碳纳米管和炭凝胶。活性炭来源广泛、价格低廉、导电性好、比表面大、电化学稳定性好，是目前使用最多的双电层电容器电极材料。 

活性炭的比表面积决定了双电层电容器的比电容，但是并非所有的表面积都是有效的。由于分子筛分作用，部分小微孔是不可进入的。对于不同的电解液，最优的孔尺寸是不同的。因此设计合理的孔分布对提高比电容有重要意义，其中微孔主要用来存储电荷，对比电容的贡献更大，中孔主要作为离子的传输通道，对材料的倍率性能有很大的影响。然而活性炭的微孔结构限制了电解液对微孔内表面的浸润，使得高比表面积得不到充分的利用。因此提高小中孔的含量有利于增大有效比表面积，从而增大比电容。 

贾殿赠等以腐殖煤为前驱体，采用多段热处理方式，制得具有微孔-介孔复合孔结构的活性炭，该方式提高了活化剂的利用率，减少了活化剂的用量，通过控制终温可以调节微孔、介孔的比例(CN201210179358.6)。王瑨等以不同种类的沥青为原料制备了两亲性炭材料，将其作为前驱体制备活性炭，在碱炭比为2～4的条件下所制活性炭的比表面积可达3000～3400m²/g，孔径为2～5nm的小中孔占有率为25%～32%(CN201010188981.9)。 

磺化沥青是沥青的磺化产品，主要成分为沥青磺酸钠，富含官能团，其表面的含氧官能团不仅能增加电解液的浸润性，还能提供赝电容。目前尚无将磺化沥青经合适的处理制备双电层电容器用活性炭电极材料的报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种磺化沥青基活性炭及其制备方法和应用，该活性炭具有比表面大和孔容高的特点，其制备方法简单，作为双电层电容器电极材料，具有比电容高、循环性能好的特性。 

本发明是通过下述技术方案加以实现的：一种磺化沥青基活性炭，该磺化沥青基活性炭来自于磺化沥青，所述的磺化沥青中磺酸钠基官能团的含量≥10%，其特征在于，该磺化沥青基活性炭颗粒的平均粒径为20～40μm，比表面积为1838～3291m²/g，孔容为0.99～2.23cm³/g，孔径为2～5nm的小中孔比率达42.4%～97.8%。 

上述的磺化沥青基活性炭制备方法，其特征在于包括以下步骤： 

1）将磺化沥青粉与去离子水按质量比1: 15～25混合，置于80℃水浴锅中搅拌1～4h，过滤，滤液中加入1M HCl溶液，调节pH值小于2，沉降12～24h，收集沉淀物，沉淀物用去离子水洗至洗涤液呈中性，然后在80～120℃温度下干燥，得到水溶性的磺化沥青粉末。

 2）按步骤1）得到的水溶性磺化沥青粉末与KOH质量比为1: 1～3，将水溶性磺化沥青粉末与质量浓度为10～40%的KOH水溶液混合，搅拌均匀，将混合液放于烘箱中，在80～120℃温度下干燥12～24h后得固形物，将固形物放入活化炉，在氮气气氛下进行三段活化：首先以1～3℃/min升温速率升温至200℃，恒温2h，再以1～3℃/min升温速率升温至360℃，恒温2h，最后以5℃/min升温速率升温至800～1000℃，恒温0.5～2h，活化后的固形物用沸水洗涤1～2h，再用1M HCl溶液煮沸洗涤1h，最后用去离子水洗涤到洗涤液呈中性，再于80～100℃下干燥后得到磺化沥青基活性炭。 

上述磺化沥青基活性炭或上述方法制备的磺化沥青基活性炭的应用，用作双电层电容器电极材料。 

本发明的优点如下：本发明首次以磺化沥青为原料制备了双电层电容器用活性炭电极材料。磺化沥青价格低廉，富含官能团，具有良好的水溶性，使其与KOH溶液能以纳米尺寸接触，克服了传质阻力，降低了浓度梯度，使活化过程均匀进行，减少了KOH的用量，省去了氧化稳定化过程，降低了成本，减少了环境污染。所制活性炭的比表面积可达1838～3291 m²/g，富含2～5nm小中孔，微孔-介孔比例可以通过控制活化温度及活化时间进行调节。将该活性炭用作电容器电极材料，经过电化学测试表明，其质量比电容高，循环性能好。 

附图说明

图1是本发明实施例1所制磺化沥青基活性炭的氮气吸脱附等温线图。 

图2是本发明实施例1所制磺化沥青基活性炭的孔径分布图。