[发明专利]一种超声波辅助制备超级活性炭的方法及其应用

说明书

本发明涉及超级活性炭的制备领域，尤其涉及一种超声波辅助制备超级活性炭的方法及其应用。所述方法包括步骤：将活化剂与碳化后得到的多孔碳混合，在设定温度下浸渍的同时进行超声波辅助处理，完成后静置浸渍，得到活性炭前驱体；将所述活性炭前驱体在保护气氛和设定温度下进一步活化，然后对活化产物进行酸洗、水洗、抽滤、干燥，即得超级活性炭。本发明是基于改变活性炭的微观结构来提高其性能这一技术途径，使得到的多孔碳的比电容、能量密度等得到了显著改善，而且，本发明在不影响超级活性炭电化学性能的基础上，本发明引入超声波辅助浸渍减少了活化剂用量，缩短了浸渍时间，提高了生产效率，为超级活性炭的规模化生产提供了新工艺。

技术领域

本发明涉及超级活性炭的制备领域，尤其涉及一种超声波辅助制备超级活性炭的方法及其应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

超级活性炭由于其比表面积高达2500m²/g以上，远高于常规活性炭(一般在300m²/g～1700m²/g之间)，故又称为高比表面积活性炭，尤其富含微孔(孔径小于2nm)，常用于能源储存(氢气、天然气和电能的储存)的介质，尤其用作电化学电容器(双电层超级电容器)的电极材料。

超级电容器是一种性能介于普通的电容器与电池的新型储能装置，其根本区别在于储能机制的不同，其中，电极材料起决定性作用。目前超级电容器以循环寿命长，功率密度高以及充放电速度快等突出优势在航空航天、交通运输、信息技术等前沿技术领域均有重要应用，但因其能量密度较低限制了其进一步商业化发展。

提高超级电容器的能量密度主要有两种方法：一种是提高其工作电压，一种是提高其比电容。工作电压的提高主要通过更换电解液来实现，而比电容的提高主要通过为电极材料设计合理的结构来实现离子的快速迁移，从而实现电荷的大量存储。其中，活性炭材料因其成本低廉、稳定性强是目前的主要商用电极材料。活性炭的前驱体有很多种，包括矿物质、生物质等，其中植物废弃物由于其天然的内部用于养分运输的特殊结构在制备过程可得到保留、成本低廉、易于再生等特点成为近年来的研究热点。植物又分为草本植物与木本植物，木本植物茎内木质部发达，木质化组织较多，质地坚硬，系多年生的植物。草本植物茎内木质不发达，木质化组织较少，茎干柔软，植株矮小的植物。

活性炭的制备方法主要是化学活化法，木本植物基活性炭一般采用磷酸一步活化法，制得的普通木质活性炭比表面积较小，常用作吸附材料。磷酸活化过程中活化剂磷酸的作用机理已基本清晰，其直接作用于原料的机理主要有水解、脱水、芳构化、交联及成孔5种作用；同时，磷酸渗透分散到植物纤维原料的细胞壁内部，需要经历快速扩散、水解、再扩散的过程。这是因为木本植物前驱体及最终得到的活性炭都是一维纤维状结构，较为坚硬。超声波处理技术是一种成本低、便于操作、效果明显的技术，被广泛用于化学反应过程。目前已有文献(张宗波等,超声引入酸浸渍过程对活性炭性能的影[J]，DOI:10.1016/S1872-5805(18)60349-X)在磷酸法制备活性炭的浸渍阶段引入超声,研究超声浸渍对活性炭孔结构、微观形貌、表面官能团、碘值和亚甲基蓝值的影响。