一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽製備超級電容器用多孔炭的方法
2023-05-29 10:10:16
一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽製備超級電容器用多孔炭的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)製備超級電容器用多孔炭的方法，其特徵在於脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)直接在氮氣或氬氣氣氛中於800-1200℃保持2h，冷卻至室溫後取出研磨，得到的多孔炭浸泡在質量濃度為10-30％的稀鹽酸或稀硝酸中，採取超聲分散攪拌等方式，水洗至溶液為中性，過濾後放入烘箱中100℃乾燥6h，研磨充分後即可製得用於超級電容器的多孔炭材料。本發明方法製備工藝簡單，操作容易，原料價廉易得，採用本發明提供的多孔炭作電極材料組裝的超級電容器具有能量密度高，產品性能好等特點，所製得的多孔炭材料用於製備超級電容器，表現出很好的電容特性。
【專利說明】 —種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽製備超級電容器用多孔炭的
方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於多孔炭材料製備方法【技術領域】，具體涉及利用脲醛樹脂和檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)為原料，通過直接炭化法製備超級電容器用多孔炭材料的方法。
【背景技術】
[0002]超級電容器又叫電化學電容器，是一種新型儲能裝置，其工作原理是在電極與電解液界面形成空間電荷層(電雙層)，依靠這種電雙層積蓄電荷，儲存能量。它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點，是近年來出現的一種新型能源器件，其功率密度遠高於普通電池(10?100倍)，能量密度遠高於傳統物理電容。超級電容器比傳統電容器具有體積小、充電速度快、循環壽命長、放電功率高、容量大、工作溫度寬等優點，可用作微機存儲器的後備電源、電動汽車的後備電源等。在我國推廣使用超級電容器，能夠減少對石油的消耗，減輕對石油進口的依賴，有利於國家石油安全；有效地解決城市尾氣汙染和鉛酸電池汙染問題；有利於解決戰車的低溫啟動問題。
[0003]多孔炭材料具有化學穩定性高、導電性好、價格低廉等優點；同時，孔結構的引入使其同時具有比表面積大、孔道結構可控、孔徑可調等特點。多孔炭材料在氣體分離、水的淨化、色譜分析、催化和光催化及能量存儲等領域得到了廣泛的應用，尤其在電池或電容的電極材料中的應用更為普遍。
[0004]脲醛樹脂是尿素與甲醛反應得到的聚合物。脲醛樹脂成本低廉，有較好的絕緣性和耐溫性，是開發較早的熱固性樹脂之一。本發明利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)直接炭化的方法，製備出具有新型開放孔道結構的具有性能優良的多孔炭材料，具有價格低廉，絕緣性好等優點，具有更加廣闊的應用前景。
[0005]中國專利CN102689875A公開了一種微生物處理的超級電容器用炭材料的製備方法。這兩種方法工藝工程複雜，其都需活化過程，成本較高，本方法工藝步驟簡單，原料低廉，電化學性能較好。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)製備超級電容器用多孔炭的方法，採用直接炭化，製備能量密度高的多孔炭。
[0007]本發明利用脲醛樹脂和檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)為原料製備用於超級電容器的多孔炭材料的方法，其特徵在於:將脲醛樹脂和檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)置於惰性氣氛中於800-1200°C保持l_2h。冷卻至室溫後，研磨至細粉末，然後浸泡在稀酸中，採取超聲分散至分布均勻，攪拌6h後進行抽濾，水洗至洗出液為中性，乾燥即得到多孔炭材料。
[0008]從場發射掃描電鏡(FESEM)圖片可以看出上述製備得到的材料具有多孔結構。將該多孔炭材料研磨成粉末，過180目篩，按多孔炭:石墨:聚四氟乙烯乳液的質量比80: 15: 5的比例，加入少量的無水乙醇混合均勻，均勻塗抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上，在100°C下真空乾燥6h，以Hg/Hg2Cl2電極作為參比電極，以鉬電極作為對電極組成三電極體系，在6mol L—1的KOH電解質水溶液中進行電化學性能的測試。充放電曲線呈現出三角分布且都隨時間線性變化，具有良好的電容特性。所有的循環伏安曲線不存在氧化還原峰，說明其容量主要來自多孔炭電極和電解液界面的雙電層電容。從循環伏安曲線以及充放電曲線可以看出，採用本發明方法製備的多孔炭材料可作為超級電容器材料。
[0009]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0010]本發明首次以脲醛樹脂為原料製備用於超級電容器的多孔炭材料，脲醛樹脂的結構與酚醛樹脂、秸杆、微生物的結構有較大的不同，從而擴大了製備多孔炭材料的原料。檸檬酸及檸檬酸鹽是常見的製備多孔炭材料的原料，而採用脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)作為製備多孔炭材料的原料在國內外至今未見報導。本發明原料易得，價格低廉，製備方法簡單，工藝操作簡便，製得的多孔炭性能穩定，能量密度高用於超級電容器表現出良好的電容特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為實施例1中製得的產物材料的FESEM圖。
[0012]圖2為實施例2中製得的產物材料的FESEM圖。
[0013]圖3為實施例3中製得的產物材料的FESEM圖。
[0014]圖4為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質量比1: 1，1: 2，2:1條件下製得的多孔炭，在50mV S-1下的循環伏安曲線比較，分別用a、b、c表示。
[0015]圖5為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質量比1: 1，1: 2，2:1條件下製得的多孔炭在IAg—1下的充放電圖，分別可達到250F g^,190F g^,150F g_\分別用a、b、c表示。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明。
[0017]實施例1:
[0018]本實例中利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀，在不同質量配比下進行炭化，製備超級電容器用多孔炭材料按以下步驟操作:
[0019](I)利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀為原料在800°C，質量比為1:1的條件下炭化製備多孔炭。
[0020]取3.0g脲醛樹脂和3.0g檸檬酸鉀充分研磨混合後，取適量的樣品放入管式爐中在氮氣氣氛中以4°C rniiT1升溫速率升溫至800°C，恆溫2h。降至室溫後，將所得樣品用質量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸溶解，超聲Ih攪拌6h，過濾後水洗至中性，乾燥即得成品。
[0021](2)對實施例1製得的多孔炭進行電化學性能測試:
[0022]為了測試所製得的的多孔炭性能，將多孔炭:石墨:聚四氟乙烯的乳液按質量比80: 15: 5的比例混合,加入無水乙醇充分研磨,均勻塗抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上。在100°C真空下乾燥6h，以Hg/Hg2Cl2電極作為參比電極，以鉬電極作為對電極組成三電極體系，在6mol L—1的KOH電解質水溶液中進行電化學性能的測試。可以看出充放電曲線呈現三角對稱分布並隨時間線性變化，可具有良好的電容特性。
[0023]圖1為實施例1中製得的產物材料的FESEM圖，可以看到本實施例中的脲醛樹脂和檸檬酸鉀炭化製備的多孔炭材料樣品具有多孔結構。通過電化學測試知，能量密度高，性能穩定等特點，其電化學性能優於脲醛樹脂直接炭化產物。
[0024]實施例2:
[0025](I)利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀為原料在800°C，質量比為1: 2的條件下炭化製備多孔炭。
[0026]取3.0g脲醛樹脂和6.0g檸檬酸鉀充分研磨混合後，取適量的樣品放入管式爐中在氮氣氣氛中以4°C rniiT1升溫速率升溫至800°C，恆溫2h。降至室溫後，將所得樣品用質量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗Ih攪拌反應6h，過濾後水洗至中性，乾燥即得成品。
[0027](2)對實施例2製得的多孔炭進行電化學性能測試:
[0028]為了測試所製得的的多孔炭性能，我們會將多孔炭:石墨:聚四氟乙烯的乳液按質量比80: 15: 5的比例混合,加入無水乙醇充分研磨,均勻塗抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上。在100°C真空下乾燥6h，以Hg/Hg2Cl2電極作為參比電極，以鉬電極作為對電極組成三電極體系，在6mol L—1的KOH電解質水溶液中進行電化學性能的測試。可以看出充放電曲線呈現三角對稱分布並隨時間線性變化，可具有良好的電容特性。
[0029]圖2為實施例2中製得的產物材料的FESEM圖。
[0030]實施例3:
[0031](3)利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀為原料在800°C，質量比為2: I的條件下煅燒製備多孔炭。
[0032]取6.0g脲醛樹脂和3.0g檸檬酸鉀在研缽中充分研磨混合後，取適量的樣品放入管式爐中在氮氣氣氛中以4°C rniiT1升溫速率升溫至800°C，恆溫2h，降至室溫後，將所得樣品用質量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗Ih攪拌反應6h，過濾後水洗至中性，乾燥即得成品。
[0033](2)對實施例3製得的多孔炭進行電化學性能測試:
[0034]為了測試所製得的的多孔炭性能，我們會將多孔炭:石墨:聚四氟乙烯的乳液按質量比80: 15: 5的比例混合,加入無水乙醇充分研磨,均勻塗抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上。在100°C真空下乾燥6h，以Hg/Hg2Cl2電極作為參比電極，以鉬電極作為對電極組成三電極體系，在6mol L—1的KOH電解質水溶液中進行電化學性能的測試。可以看出充放電曲線呈現三角對稱分布並隨時間線性變化，可具有良好的電容特性。
[0035]圖3為實施例3中製得的產物材料的FESEM圖。
[0036]圖4為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質量比1: 1，1: 2,2: I條件下製得的多孔炭在50mV s—1下的循環伏安曲線。
[0037]圖5為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質量比1: 1，1: 2，2:1條件下製得的多孔炭在IAg—1下的充放電圖，分別可達到250F g_1,190F g_1,150F g—1。
【權利要求】
1.一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽製備超級電容器用多孔炭的方法，將脲醛樹脂和檸檬酸鉀、檸檬酸納、檸檬酸鋅置於管式爐中，在惰性氣氛中於800-1200°C煅燒2h，冷卻至室溫後研磨，超聲分散Ih至均勻，攪拌6h水洗過濾至中性，置於烘箱中100°C乾燥6h，取出研磨充分，即可製得用於超級電容器的多孔炭材料。
2.如權利要求1中所述利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽製備超級電容器用多孔炭的方法，其特徵在於用脲醒樹脂與朽1檬酸鉀，朽1檬酸鈉，朽1檬酸鋅直接研磨炭化。
3.如權利要求1中所述一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽物製備超級電容器用多孔炭的方法，其特徵在於所用惰性氣體用氮氣或氬氣或氮-氬混合氣體。
4.如權利要求1中所述一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽物製備超級電容器用多孔炭的方法，其實驗中管式爐的升溫速率為4°C /min。
5.如權利要求1中所述一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽製備超級電容器用多孔炭的方法，其特徵在於脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸納、檸檬酸鋅)研磨混合物與脲醛樹脂進行對比，脲醛樹脂與檸檬酸鹽研磨混合物製得的多孔炭材料性能更優異，且能量密度高，在循環五千次後能量密度變化很小，保持率達91.9%左右，性能穩定，所製得的多孔炭材料用於製備超級電容器，表現出很好的電容特性。
【文檔編號】C01B31/02GK104291310SQ201310297768
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月15日 優先權日:2013年7月15日
【發明者】陳祥迎, 宋紅, 張忠潔, 何媛媛 申請人:合肥工業大學