[发明专利]一种具有分级孔道活性炭及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭及其制备方法，尤其涉及一种具有分级孔道活性炭及其制备方法。

背景技术

随着便携式电子设备的广泛流行、电动汽车的重要性日益增加，以及不可再生的化石能源日益枯竭，尤其从功率角度，人们迫切需求一种绿色环保的高品质储能设备。目前，在储能方面，锂离子电池和超级电容器是两种比较先进储能技术，相比较以氧化还原电子转移反应为机理的电池而言，通过电荷物理分离形式存储能量的超级电容器,以功率密度高、充电速率快、循环寿命长的优点而广泛应用于电动汽车、移动电子设备。但是，制约超级电容器发展的核心部件在于炭电极材料的昂贵价格。现阶段市售的商业化的超级电容器炭电极材料——活性炭如YP17、RP20、PX21、BF-T520和BF-T518等售价在300000-500000元/吨，其价格远远高于大宗化学品，甚至高于一些精细化学品的价格，而其原料如石油焦等，成本不到1000元/吨，导致电极材料价格高昂的原因主要在于其活化费用。传统上，活性炭多采用水蒸气、二氧化碳和空气等气体物理活化，或者是氢氧化钾、磷酸、氯化锌等化学活化进行制备。据文献中报道，由于石油焦致密的片层结构，采用上述物理活化或磷酸、氯化锌活化，并不能够对石油焦进行很好的活化。因此，工业上一致采用氢氧化钾作为活化剂对石油焦进行化学活化，但伴随而来的问题是氢氧化钾具有强腐蚀性，腐蚀活化炉，导致活化成本增高，与此同时，活化过程中，产生的大量氢气和金属钾为工业生产埋下了安全隐患，同时氢氧化钾活化方法得到活性炭为以微孔为主，导致电极材料的体积容量低的同时，功率特性下降，不能发挥超级电容器的功率性能优势。碳酸钾的性质接近氢氧化钾，相比而言，在温度低于800℃时无腐蚀性，理论上讲是一种可以替代氢氧化钾的活化剂。J.Anal.Appl.Pyrolysis 87(2010)282–287公开了采用无腐蚀性的碳酸钾为活化剂，对石油焦进行活化，但制备的活性炭比表面积仅为289m²/g，Mitani et al等也发现碳酸钾很难对煤焦进行活化。原因可能是碳酸钾无法进入炭前躯体的骨架。

发明内容

本发明为提高重质碳源如石油焦、煤等原料附加值，解决氢氧化钾活化成本高、工业放大过程中腐蚀性强等问题，提供了一种以重质碳源为原料，碳酸钾为造孔剂，制备出具有分等级孔道活性炭的方法，该方法具有绿色环保的特点，同时，利用制备的活性炭制备出的炭电极材料具有容量高、功率性能好的特点。

一种具有分级孔道活性炭的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将重质碳源粉碎并进行筛分，得到重质碳源粉末，将重质碳源粉末与碳酸钾混合，在球磨机中球磨得到混合粉末；

(2)、将混合粉末置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化；

(3)、活化产物经冷却、酸洗、水洗至中性、干燥到具有分级孔道活性炭。

所述重质碳源为石油焦、煤、生物质和聚合物的一种或几种。

所述生物质可以是椰壳、核桃壳、秸秆、稻壳、椰壳和果皮的一种或几种；聚合物可以是酚醛树脂、聚苯乙烯和聚偏氯乙烯的一种或几种。

优选步骤(1)中重质碳源粉末与碳酸钾混合时的质量比为1:0.5～6；此条件下合成的活性炭微孔比表面积高、且介孔孔容较大；作为超级电容器电极材料时，具有良好的电化学性能；作为进一步的优选方案，重质碳源粉末与碳酸钾混合时的质量比为1:3～6；最好选择重质碳源粉末与碳酸钾混合时的质量比为1:3。

优选步骤(1)中球磨时间为2h～6h。

优选步骤(2)中所述的惰性气体为氮气和氩气的至少一种。

优选步骤(2)中活化温度为700℃～900℃，温度对本方法制备的活性炭的孔结构影响较大，700℃活化制备的活性炭以微孔为主，比表面积较高；900℃活化制备的活性炭以介孔为主，介孔孔容率高达80％；作为进一步的优选方案，活化温度为800℃，此温度下制备的活性炭微孔比表面积较大，且介孔孔容较大，作为超级电容器电极材料时，容量、倍率性能俱佳。

优选步骤(1)中，经筛分后得到80-400目的重质碳源粉末。

优选步骤(3)中所述的酸洗为盐酸洗涤。

步骤(1)球磨过程中，碳酸钾不仅与石油焦或煤等重质碳源均匀混合，而且在高速球磨产生的剪切力的帮助下，进入石油焦或煤等重质碳源颗粒骨架，在氮气或氩气惰性气氛炭化时，骨架中的碳酸钾进行原位刻蚀，产生从里到外的通透孔，制备出具有分级孔道片层结构的活性炭，具有振实密度大，比表面积高，介孔孔容大的特点。