活性炭电极材料制备方法及氧化锰/活性炭复合电极材料制备方法

摘要

本发明公开了一种玉米秸秆制作活性炭电极材料制备方法，以及一种用玉米秸秆制作氧化锰/活性炭复合电极材料制备方法，能够通过将玉米秸秆粉碎、加热加入碱混合，然后加热、酸洗、蒸馏等工艺步骤制取活性炭电极材料，将制取的活性炭与高锰酸钾溶液和乙醇溶液的混合物，加氢氧化钠溶液反应后经过酸洗、水洗、干燥工艺制取氧化锰/活性炭复合电极材料。通过本方法制得的复合电极材料，有效地改善了过渡金属氧化物的循环性能，提高了材料的循环稳定性，增强了电极材料的倍率性能，且解决了秸秆废气和焚烧带来的资源浪费和环境污染问题，提高了农作物秸秆的综合开发利用及其利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及电极材料制备技术领域，具体地说，涉及一种活性炭电极材料制备方法及氧化锰/活性炭复合电极材料制备方法。

背景技术

目前，超级电容器的电极材料主要采用氧化锰/活性炭复合电极材料，而复合电极材料中的活性炭的原料有煤、木材、果壳、核桃壳和秸秆等，这些含碳材料置于活化炉中，在高温和一定的压力下通过热解作用被转换成活性炭。与煤基活性炭相比，秸秆生产活性炭存在强度和活化度较低、导电率较差的缺点，同时秸秆生产活性炭的产率较低，大部分秸秆活性炭电极材料的研究成果目前还停留在实验室阶段。而农作物秸秆广泛存在，秸秆焚烧严重影响了大气环境，因此，有必要解决如何提高农作物秸秆的综合利用及其利用率的问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种以秸秆为原材料，且比表面积高、中孔率高的活性炭电极材料制备方法。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种循环稳定性高、倍率性能强的氧化锰/活性炭电极材料制备方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：

活性炭电极材料制备方法，包括以下步骤：

a、玉米秸秆粉碎至粒径0.35～0.42mm的秸秆颗粒，将秸秆颗粒过40目筛，并干燥至秸秆颗粒的水分含量低于10％；

b、将干燥后的秸秆颗粒装入坩埚，在惰性气体的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内加热至500～600℃，然后在窑炉内保持恒温3～5小时，得到玉米秸秆碳化物料；

c、将所述玉米秸秆碳化物料和活化剂按照质量比1：1～5：1的比例混合均匀后加入坩埚，在惰性气体的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内将混合物加热至700～1000℃，保温2小时后冷却至常温；

d、将冷却至常温的混合物用酸性溶液洗涤，然后用纯水洗涤至PH值为6～7，干燥处理后粉碎至粒径15～20μm的颗粒，制得活性炭材料。

优选的，所述惰性气体为氩气、氮气或者氩气氮气混合气体。

优选的，所述活化剂为KOH、CaCl₂或者NaOH。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：

氧化锰/活性炭复合电极材料制备方法，其特征在于：先通过上述的活性炭材料电极材料制备方法制得活性炭材料，然后还包括以下步骤：

e、将浓度为0.5～2.0mol/L的高锰酸钾溶液、200ml乙醇溶液以及浓度为1.0～3.0mol/L的活性炭溶液混合均匀，在常温下搅拌1～2小时，得到混合溶液，其中，所述高锰酸钾溶液与所述活性炭溶液的质量比为2：1～10：1；

f、向所述混合溶液中滴加浓度为1.0～1.5mol/L的NaOH溶液，同时搅拌混合溶液，然后将混合溶液加热至80～100℃，恒温反应3～5小时后冷却至常温；

g、将混合溶液用盐酸溶液洗涤，然后用纯水洗涤过滤，干燥处理后加入导电剂混合均匀，在惰性气体保护下，加热至400-700℃，冷却至常温，制得氧化锰/活性炭复合电极材料。

优选的，所述导电剂为导电炭黑或者石墨导电剂。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本方法提出了一种用玉米秸秆制作活性炭电极材料制备方法，以及用玉米秸秆制作氧化锰/活性炭复合电极材料制备方法，通过本方法制得的复合电极材料，有效地改善了过渡金属氧化物的循环性能，本方法制成的活性炭特有的多孔结构可以有效地缓解过渡金属氧化物在充放电过程中的体积变化，提高材料的循环稳定性，同时，本方法制成的活性炭具有的多孔结构，可以增加电解液与电极材料的接触面积，为电化学反应提供更多的反应点，有利于电化学反应的快速进行，从而增强电极材料的倍率性能。

本方法制得的氧化锰/活性炭复合电极材料，加入了导电剂，有效地解决了秸秆生产的活性炭存在的强度低、活化度低以及导电率较差的缺点，提高了制得的活性炭材料的强度、活化度以及导电率。

本方法利用农作物玉米秸秆为原料，生产活性炭电极材料，提出了农作物玉米秸秆的新型加工方法，解决了秸秆废气和焚烧带来的资源浪费和环境污染问题，提高了农作物秸秆的综合开发利用及其利用率。

具体实施方式

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。

实施例一

玉米秸秆粉碎至粒径0.35～0.42mm的秸秆颗粒，将秸秆颗粒过40目筛，并干燥至秸秆颗粒的水分含量低于10％；将干燥后的秸秆颗粒装入坩埚，在惰性气体的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内加热至500～600℃，然后在窑炉内保持恒温4小时，得到玉米秸秆碳化物料；将玉米秸秆碳化物料和KOH按照质量比1：1～5：1的比例混合均匀后加入坩埚，在氩气的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内将混合物加热至700～1000℃，保温2小时后冷却至常温；将冷却至常温的混合物用酸性溶液洗涤，然后用纯水洗涤至PH值为6～7，干燥处理后粉碎至粒径15～20μm的颗粒，制得活性炭材料。

然后将浓度为1.0mol/L的高锰酸钾溶液、200ml乙醇溶液以及浓度为2.0mol/L的活性炭溶液混合均匀，乙醇被高锰酸钾氧化，生成乙酸和氧化锰，化学式为：5C₂H₅OH+4MnO₄^-+12H⁺＝5CH₃COOH+4Mn₂⁺+11H₂O)，然后在常温下搅拌1小时，得到混合溶液，其中，高锰酸钾溶液与活性炭溶液的质量比为2：1～10：1，；向混合溶液中滴加浓度为1.2mol/L的NaOH溶液，发生酸碱中和反应，化学式为：

NaOH+CH₃COOH＝CH₃COONa+H₂O

(OH^-)+(CH₃COOH)＝(CH₃COO^-)+H₂O)

同时搅拌混合溶液，然后将混合溶液加热至80～100℃，恒温反应3小时后冷却至常温；将混合溶液用盐酸溶液洗涤，然后用纯水洗涤过滤，干燥处理后加入导电炭黑混合均匀，在惰性气体保护下，加热至400-700℃，冷却至常温，制得氧化锰/活性炭复合电极材料。

实施例二

玉米秸秆粉碎至粒径0.35～0.42mm的秸秆颗粒，将秸秆颗粒过40目筛，并干燥至秸秆颗粒的水分含量低于10％；将干燥后的秸秆颗粒装入坩埚，在惰性气体的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内加热至500～600℃，然后在窑炉内保持恒温3小时，得到玉米秸秆碳化物料；将玉米秸秆碳化物料和NaOH按照质量比1：1～5：1的比例混合均匀后加入坩埚，在氩气的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内将混合物加热至700～1000℃，保温2小时后冷却至常温；将冷却至常温的混合物用酸性溶液洗涤，然后用纯水洗涤至PH值为6～7，干燥处理后粉碎至粒径15～20μm的颗粒，制得活性炭材料。

然后将浓度为1.0mol/L的高锰酸钾溶液、200ml乙醇溶液以及浓度为2.0mol/L的活性炭溶液混合均匀，乙醇被高锰酸钾氧化，生成乙酸和氧化锰，化学式为：5C₂H₅OH+4MnO₄^-+12H⁺＝5CH₃COOH+4Mn₂⁺+11H₂O)，在常温下搅拌2小时，得到混合溶液，其中，高锰酸钾溶液与活性炭溶液的质量比为2：1～10：1；向混合溶液中滴加浓度为1.2mol/L的NaOH溶液，发生酸碱中和反应，化学式为：

NaOH+CH₃COOH＝CH₃COONa+H₂O

(OH^-)+(CH₃COOH)＝(CH₃COO^-)+H₂O)

同时搅拌混合溶液，然后将混合溶液加热至80～100℃，恒温反应4小时后冷却至常温；将混合溶液用盐酸溶液洗涤，然后用纯水洗涤过滤，干燥处理后加入石墨导电剂混合均匀，在惰性气体保护下，加热至400-700℃，冷却至常温，制得氧化锰/活性炭复合电极材料。

实施例三

玉米秸秆粉碎至粒径0.35～0.42mm的秸秆颗粒，将秸秆颗粒过40目筛，并干燥至秸秆颗粒的水分含量低于10％；将干燥后的秸秆颗粒装入坩埚，在惰性气体的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内加热至500～600℃，然后在窑炉内保持恒温5小时，得到玉米秸秆碳化物料；将玉米秸秆碳化物料和CaCl₂按照质量比1：1～5：1的比例混合均匀后加入坩埚，在氩气的保护氛围下，按照5～10℃/min的加热速率在窑炉内将混合物加热至700～1000℃，保温2小时后冷却至常温；将冷却至常温的混合物用酸性溶液洗涤，然后用纯水洗涤至PH值为6～7，干燥处理后粉碎至粒径15～20μm的颗粒，制得活性炭材料。

然后将浓度为1.0mol/L的高锰酸钾溶液、200ml乙醇溶液以及浓度为2.0mol/L的活性炭溶液混合均匀，乙醇被高锰酸钾氧化，生成乙酸和氧化锰，化学式为：5C₂H₅OH+4MnO₄^-+12H⁺＝5CH₃COOH+4Mn₂⁺+11H₂O)，在常温下搅拌1小时，得到混合溶液，其中，高锰酸钾溶液与活性炭溶液的质量比为2：1～10：1；向混合溶液中滴加浓度为1.2mol/L的NaOH溶液，发生酸碱中和反应，化学式为：

NaOH+CH₃COOH＝CH₃COONa+H₂O

(OH^-)+(CH₃COOH)＝(CH₃COO^-)+H₂O)

同时搅拌混合溶液，然后将混合溶液加热至80～100℃，恒温反应5小时后冷却至常温；将混合溶液用盐酸溶液洗涤，然后用纯水洗涤过滤，干燥处理后加入导电炭黑混合均匀，在惰性气体保护下，加热至400-700℃，冷却至常温，制得氧化锰/活性炭复合电极材料。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。