[发明专利]一种利用煤气化残渣制备高效能超级电容器材料的方法

说明书

本发明提供一种利用煤气化残渣制备高效能超级电容器材料的方法，属于固体废弃物资源化利用技术领域。该方法首先使用浮选方法提取煤气化残渣中的残渣炭，然后以煤气化残渣碳和活化剂为原料，制备活性炭，最后利用活性炭制备超级电容器电极片。该方法既可以资源化利用煤气化残渣，又作为高效的电容型炭材料，具有良好的电容特性、优良的稳定性和低廉的成本，是电化学储能和转化应用的有前景的候选材料之一。

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化利用技术领域，特别是指一种利用煤气化残渣制备高效能超级电容器材料的方法。

背景技术

煤气化技术是清洁煤技术的核心内容之一，将煤进行不完全氧化以得到可供下游利用的可燃煤气化气(比如粗煤气)，近些年快速成为煤炭资源和能源利用的重要方向。近20年来，我国已经在陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、山西长治等多地建设了一批煤化工企业，陆续投产，产量逐年增加，煤炭资源的洁净综合利用已经在我国形成一定规模。

在煤气化技术体系中，将煤中炭质部分大部分转变成气体的同时，原煤中伴生的无机矿物组分、加入的催化剂以及气化不彻底剩余的炭质均会以残渣(煤气化残渣)形式被排出。煤气化残渣的产量随着煤化工产业的发展，增加很快，堆放时占用土地、污染环境，已经成为新的亟待解决的固体废弃物。

煤气化残渣的有效处理不仅降低其对环境的污染，而且对促进国民经济发展具有重要意义。在气流床气化过程中，由于煤种、氧煤比、中心氧与环氧分配比例、炉温、水煤浆的粒度和稳定性、系统负荷稳定性、烧嘴磨损及停留时间等发生变化，煤气化残渣中含碳量普遍较高，进一步加剧了资源浪费严重，同时影响其资源化利用。制约煤气化残渣有效利用的因素，一是含碳量较高，二是粒度太粗。用于混凝土中的煤气化残渣要求残碳不超过5.0％，残碳过多会影响混凝土的强度，降低抗冻融性、抗渗性。有效的回收煤气化残渣中的煤粉既可以提高资源利用率，又使低碳残渣进一步资源化利用，同时还可避免由于大量未被利用的残渣堆存而造成环境污染。

超级电容器兼具电池和普通电容的优点，具有充放电速率快、功率密度高、能量密度高、使用寿命长及良好的高低温耐受力等特点，因此引起越来越多的人们关注。碳材料因为具有较好的导电性、较高的比表面积、良好的成型性、较高的化学稳定性等特点，最早被研究用于制备超级电容器。Zhang等人以水溶性酚醛树脂为前体，以Na₂CO₃为活化剂来制备活性炭，所制备的碳材料具有典型的分级孔隙结构和1357m² g^-1的大比表面积，当用作超级电容器的电极材料时，该材料在0.05A g^-1的电流密度下显示出226F g^-1的比电容，对应的活化条件为N₂气氛下，以8℃min^-1的加热速率升温至900℃，活化1小时(Zhang,J.,et al.,Facile preparation of water soluble phenol formaldehyde resin-derivedactivated carbon by Na₂CO₃ activation for high performancesupercapacitors.Materials Letters,2017.206:p.67-70.)。碳材料的比表面积、孔径分布和表面性质等对超级电容器的性能有着重要的影响，杂原子的掺杂，包括N、S、P等，可以改善碳表面的湿润性及其比电容。

提取煤气化残渣中的残碳作为碳前驱体制备活性炭材料，作为新一代的环境友好型储能材料，应用于超级电容器，具有不错的性能，我们相信它会是一种有前途的电极材料，同时有望解决迫切需要的煤气化残渣资源化问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用煤气化残渣制备高效能超级电容器材料的方法，该方法通过使用矿物提纯中常用的浮选提取煤气化残渣中的残碳，以煤气化残渣碳和活化剂为原料，通过两步法活化，控制制备条件，制备高性能的磷掺杂的超级电容器活性炭。