一种氢氧化钙部分取代氢氧化钾制备活性炭的方法

摘要

本发明涉及一种氢氧化钙部分取代氢氧化钾制备电化学用活性炭的方法。氢氧化钾作为活化剂使用最普遍，其制备的活性炭比表面积、孔容积、比电容量均较大，电化学性能较好。但氢氧化钾的碱性太强，对设备的腐蚀性太大，所以选择氢氧化钙取代部分氢氧化钾作为活化剂，从而在活化过程中减少对设备的腐蚀。氢氧化钙取代氢氧化钾的比例对活性炭电化学性能具有一定的影响，为近一步改善活性炭总孔体积和电化学性能，提高活化剂作用的效率，氢氧化钙：氢氧化钾质量比1:2时其电化学性能相对最优。本方法的优点在于能有效地降低对设备的腐蚀程度，且所制得的超级活性炭具有大的比表面积、发达的中微孔，在超电容领域广泛应用。

说明书

技术领域

本发明涉及活性炭的制备方法，特别涉及氢氧化钙取代氢氧化钾的比例对活性炭电化学性能的影响。

背景技术

活性炭具有来源丰富、比表面积大、价格低廉、电化学稳定性高等优点，因其这些特点，活性炭被广泛用于电化学电容器的电极材料。由于活性炭的内阻较大，循环性能不够稳定，需要对其内部微观形貌加以控制和调整以改善其性能，以适应商品化的需要。

活性炭的制备一般分为物理活化和化学活化两种方式，一般情况下，化学活化方法相比于物理活化的优点是：活化时间少、活化温度低、比表面积高、产率高且一步完成，因此化学活化很受人关注。在化学活化的过程中，升温速度、活化剂种类、活化温度、活化剂/炭比、保温时间等式影响活性炭的主要因素。而这些因素都以研究的比较成熟，对于活化剂一般选择氢氧化钾进行化学腐蚀，以增加材料的比表面积和表面官能团，以提高电解液在材料中的浸润性，从而提高比电容。

目前，氢氧化钾作为活化剂使用最为普遍，其制备的活性炭比表面积、孔容积、比电容量均较大，电化学性能较好。但是氢氧化钾的碱性太强，对设备的腐蚀性太大，所以我们选择氢氧化钙取代一部分氢氧化钾作为活化剂，从而减少对设备的腐蚀，研究其相对最佳取代比例，

通常，为了制备比表面积大且中微孔系发达的活性炭，必须用到高比例的活化剂。随着氢氧化钙取代氢氧化钾作活化剂用量比例的不同，物料在活化过程中刻蚀的孔径大小和表面积也不同。由于活性炭用作电极材料必须具备畅通孔道，大、中、小孔连接紧密的特点，才能有利于电解液的传输和吸附。因此，氢氧化钙取代氢氧化钾作活化剂用量的比例需要进一步探究。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对氢氧化钾作活化剂的碱性太强，对设备的腐蚀性太大，我们提供一种不仅可以能够降低氢氧化钾作活化剂对设备的腐蚀性程度，而且在相对最佳取代比例时还可以进一步提高活性炭储能大小和电化学性能。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

氢氧化钙取代氢氧化钾的比例对活性炭电化学性能的影响，包括如下步骤：

第一、将煤粉碎至200-250目，制成煤粉；

第二、将氢氧化钙：氢氧化钾质量比为0:3, 1:2, 1：1，2：1作为活化剂，再以活化剂与原煤为3：1的质量比在玛瑙研磨中研磨半小时左右至混合均匀；

第三、将步骤二中得到的混合物放入活化炉内，通入惰性气体进行保护，以6℃/min的升温速率升到500-650℃，恒温45min，再以相同的升温速率继续升到800℃，恒温60min，冷却至室温，得到活化料；

第四、将活化料煮沸再用水洗涤至pH=7-7.5，然后用0.1M 的HCl浸渍2-3次，在用水洗涤至中性，干燥得到活性炭。

作为优选，所述步骤二中，氢氧化钙和氢氧化钾质量比1:2。

作为优选，所述步骤三中，惰性气体为氮气。

作为优选，所述步骤三中，升温到550℃，恒温45min。

作为优选，所述步骤四中，至少用0.1M的HCl浸渍3次以上。

由于氢氧化钙取代部分氢氧化钾可以防止碱性较强的氢氧化钾对设备的腐蚀程度，在炭活化过程中脱水并产生一系列反应，从而使物料在活化剂作用下产生发达且有效的中微孔，使超级活性炭的总孔体积增大，最终所制备的超级活性炭的电化学性能较好，有一定的应用面。

本文提供一种氢氧化钙取代部分氢氧化钾的方法，能够有效地降低对设备的腐蚀程度，并且所制得的超级活性炭具有大的比表面积、发达的中微孔，适合在各个领域广泛应用。

Ca(OH)₂在高温过程会脱水形成氧化钙，氧化钙会中和煤中硫化物反应生成CaSO₄,单独使用氢氧化钙作为活化剂对煤内部孔道蚀刻的效果很不明显。而高质量比的氢氧化钾会对设备具有一定的腐蚀程度，极大的影响了仪器的使用寿命。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

采用单一的煤种就可制得比表面积大于1500m²/g，总孔体积在0.02～0.9cm³/g，平均孔径在1.74～10.6nm，中微孔结构发达的超级活性炭；

一步化学活化法在工业实际应用时方便，降低了制备的成本；

本发明方法简单，仅需要将两种物料混合进行活化即可。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

氢氧化钙取代氢氧化钾的比例对活性炭电化学性能的影响，包括如下步骤：

第一、将煤粉碎至200-250目，制成煤粉；

第二、将氢氧化钙：氢氧化钾质量比为0:3作为活化剂，再以活化剂与原煤为3：1的质量比在玛瑙研磨中研磨半小时左右至混合均匀；

第三、将步骤二中得到的混合物放入活化炉内，通入惰性气体进行保护，以6℃/min的升温速率升到550℃，恒温45min，再以相同的升温速率继续升到800℃，恒温60min，冷却至室温，得到活化料；

第四、将活化料煮沸再用水洗涤至中性，然后用0.1M 的HCl浸渍3次，在用水洗涤至中性，干燥得到活性炭。

实施例2

第一、将煤粉碎至200-250目，制成煤粉；

第二、将氢氧化钙：氢氧化钾质量比为1:2作为活化剂，再以活化剂与原煤为3：1的质量比在玛瑙研磨中研磨半小时左右至混合均匀；

第三、将步骤二中得到的混合物放入活化炉内，通入惰性气体进行保护，以6℃/min的升温速率升到550℃，恒温45min，再以相同的升温速率继续升到800℃，恒温60min，冷却至室温，得到活化料；

第四、将活化料煮沸再用水洗涤至中性，然后用0.1M 的HCl浸渍3次，在用水洗涤至中性，干燥得到活性炭。

实施例3

第一、将煤粉碎至200-250目，制成煤粉；

第二、将氢氧化钙：氢氧化钾质量比为1：1作为活化剂，再以活化剂与原煤为3：1的质量比在玛瑙研磨中研磨半小时左右至混合均匀；

第三、将步骤二中得到的混合物放入活化炉内，通入惰性气体进行保护，以6℃/min的升温速率升到550℃，恒温45min，再以相同的升温速率继续升到800℃，恒温60min，冷却至室温，得到活化料；

第四、将活化料煮沸再用水洗涤至中性，然后用0.1M 的HCl浸渍3次，在用水洗涤至中性，干燥得到活性炭。

实施例4

第一、将煤粉碎至200-250目，制成煤粉；

第二、将氢氧化钙：氢氧化钾质量比为2：1作为活化剂，再以活化剂与原煤为3：1的质量比在玛瑙研磨中研磨半小时左右至混合均匀；

第三、将步骤二中得到的混合物放入活化炉内，通入惰性气体进行保护，以6℃/min的升温速率升到550℃，恒温45min，再以相同的升温速率继续升到800℃，恒温60min，冷却至室温，得到活化料；

第四、将活化料煮沸再用水洗涤至中性，然后用0.1M 的HCl浸渍3次，在用水洗涤至中性，干燥得到活性炭。

对所有实施例中的活性炭进行测试，其中电化学工作站用来对所制备的材料进行电化学测试，主要测量比容量大小，JW-Bk静态氮吸附仪用来测试总孔体积、平均孔径以及比表面积。

测试条件如下：

表 1 主要试验设备仪器

仪器名称生产厂家OTF-1200真空管式炉中美合资合肥晶科材料技术有限公司DZF-6063真空干燥箱上海一恒科技有限公司CHI660B化学工作站上海辰华仪器公司CHI660D化学工作站上海辰华仪器公司全自动高压物理吸附美国micromeritics有限公司

测试结果如表2所示：

表 2 活性炭的电化学性能测试

 比容量（F/g）总孔体积(cm³/g）平均孔径(nm)比表面积(m²/g)实施例13030.89801.74762281.554实施例2346.250.70101.82011544.322实施例3299.60.5222.1001164.125实施例4278.70.027710.62336.798