[发明专利]一种应用于超级电容器的碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种应用于超级电容器的碳材料的制备方法。本发明将生物质材料和NH₄BF₄加入去离子水中，搅拌后形成均匀的分散液；分散液在160～300℃下水热反应8～24h；过滤分离后，将固体粉末水洗、乙醇洗数次，烘干，氮气或惰性气氛下煅烧得碳粉，最后在HNO₃水溶液中搅拌、抽滤、水洗、烘干，获得碳材料。本发明在水热过程中添加适量的NH₄BF₄作为元素添加物质和活化剂，在水热反应的同时进行B、F等元素的掺杂和对花粉结构的调整，无须与KOH混合活化即可获得比表面积为400m²/g左右的比电容为200F/g左右的碳材料，性能优异而且水热产物碳化过程无须活化，产率较高。

技术领域

本发明涉及一种碳材料的制备技术，尤其涉及一种用花粉及其它生物质材料制备超级电容器用碳材料的方法。

背景技术

超级电容器(supercapacitor)，又称电化学电容器(electrochemicalcapacitor)，与电池相比，虽然能量密度较低(～5Wh·kg^-1)，但是具有优异的功率密度(>10kW·kg^-1)。此外，超级电容器具有非常长的循环寿命(>100000次)，易于组装，操作简单等优点。因此，超级电容器可以很好地填补电池无法胜任的储能场合。碳材料具有许多突出的优点，如：易获得，价格低廉，无毒，环境友好，性质稳定，导电性好等。因此，它是超级电容器中应用最多的电极材料。生物质废料在日常生活中非常常见，如瓜果壳、食材边角料等，其中，花粉作为一种致敏原，除了少数被有效利用生长成果实外，大部分都被浪费了。而且，花粉来源广，获取方便，而且本身具有生物结构，便于制作成具有目标结构的碳材料，或者有效吸附改性物质，从而进行功能化。

Jialiang Tang等人选取不同花粉直接在惰性气氛中碳化，然后在空气中活化，获得较好地保留花粉形貌的碳材料，获得了比表面积在200～300m²/g的碳材料。他们将其应用于锂离子电池负极，获得了超过200mAh/g的储能量(1C,25℃)及300mAh/g(1C,50℃)(Jialiang Tang and Vilas G.Pol.From Allergens to Battery Anodes:Nature-Inspired,Pollen Derived Carbon Architectures for RoomandElevated-TemperatureLi-ionStorage[J].Scientific Report,2016,6:20290)。这种处理方式虽然简单，并一定程度上保留了花粉原有的形貌，但是所获得的碳材料性能并不突出。通过水热处理，花粉中的纤维组织等糖类物质能够进行自组装反应，从而获得较好的目标形貌和较好的性能。Long Zhang等人将不同花粉在水热条件下处理后通过与KOH混合活化的方法，获得了比电容达到207F/g的碳材料(Long Zhang,Fan Zhang,et,al.High-PerformanceSupercapacitor Electrode MaterialsPrepared from Various Pollens[J].Small,2013,9:1342-1347.)。陈永胜等人在专利CN 103663448A中也提及了相应的内容，获得了比表面积较大的活性炭材料。但是，上述方法所获得的高性能活性炭均需将水热产物与KOH混合，并在高温下活化，获得高比表面积的碳材料才能提供相应的200F/g左右的比电容。在活化过程中，物质损耗较大(产率30％左右)，而且没有很好地利用花粉原有结构。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于超级电容器的碳材料的制备方法。本发明将将花粉等生物质材料废料转变为具有优良性能的超级电容器用碳材料，方法简单有效。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种应用于超级电容器的碳材料的制备方法，包含以下步骤：