本發(fā)明涉及活性炭制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種活性炭、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

活性炭材料具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高比表面積等特性，能夠作為催化劑載體、儲能材料、氣體吸附材料和有機污染物吸附材料。活性炭材料在化工、儲能、催化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

其中，作為超級電容器電極材料的活性炭，需要具有良好的導(dǎo)電性，高的比表面積及合理的孔徑分布的特性。

通常情況下，超級電容器用活性炭是通過物理或者化學(xué)的方法活化果殼、樹脂或者煤等前驅(qū)體來獲得活性炭材料。

這種活性炭方法制備的活性炭的形貌不規(guī)整，碳的結(jié)構(gòu)多呈現(xiàn)無定型狀態(tài)，比表面積一般在2000m²g^-1左右，在水系下的電容值一般在200fg^-1，有機系下的電容值一般在100fg^-1左右，倍率性能一般。

因此，發(fā)展新的活性炭制備工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)對活性炭在形貌，表面結(jié)構(gòu)等多個方面進行調(diào)控，具有重要的意義，現(xiàn)有技術(shù)還有待發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種活性炭、其制備方法及應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中活性炭制備方法制備的活性炭無法滿足使用需求的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案：

一種活性炭制備方法，其中，包括：

通過乳液聚合法，合成前驅(qū)體，所述前驅(qū)體為聚苯胺和/或聚吡咯的聚合物小球；

在所述前驅(qū)體中加入磷酸進行摻雜；

對摻雜后的前驅(qū)體進行預(yù)碳化處理，獲得預(yù)碳化小球；

活化所述預(yù)碳化小球。

所述的方法，其中，所述通過乳液聚合法，合成前驅(qū)體，具體包括：

在水溶劑中加入苯胺和吡咯的混合物；

加入表面活性劑，攪拌形成微乳液；

將所述微乳液置于冰浴裝置中，逐滴滴加預(yù)定量的，過冷的0.5mol/l過硫酸銨溶液，在攪拌條件下，聚合預(yù)定的時間獲得聚合物小球。

所述的方法，其中，所述在所述前驅(qū)體中加入磷酸進行摻雜，具體包括：

洗滌所述聚合物小球；

加入85%的磷酸進行摻雜并烘干。

所述的方法，其中，對摻雜后的前驅(qū)體進行預(yù)碳化處理，獲得預(yù)碳化小球，具體包括：

在惰性氣體保護下，對所述摻雜后的前驅(qū)體熱處理0.5-4小時，熱處理溫度為250-650℃，加熱升溫速度為1-50℃/分鐘。

所述的方法，其中，所述活化所述預(yù)碳化小球，具體包括：

將所述預(yù)碳化小球與氫氧化鉀或者氫氧化鈉按照預(yù)定的比例均勻混合；

在惰性氣體保護下，加熱處理；其中，加熱處理的溫度為700-1000℃，時間為0.5-4小時，加熱升溫速度為1-50℃/分鐘；

將加熱后的產(chǎn)物洗滌至中性并干燥。

所述的方法，其中，所述預(yù)定的比例為所述預(yù)碳化小球與氫氧化鉀或者氫氧化鈉的質(zhì)量比為3:1至5:1之間。

一種應(yīng)用如上所述的活性炭制備方法制備的活性炭，其中，所述活性炭由相互交聯(lián)的石墨烯納米片構(gòu)成，為直徑20-100納米的活性炭球。

所述的活性炭，其中，所述活性炭球的比表面積為2000-4000m²/g；所述活性炭球的微孔孔徑為0.5-2納米，孔的體積為0.5-3.5cc/g。

所述的活性炭，其中，所述活性炭球的晶格中摻雜有氮和磷；氮的摻雜濃度為0.05%-8.5%，磷的摻雜濃度為0.05%-8.5%。

一種如上所述的活性炭球在超級電容器電極材料中的應(yīng)用。

有益效果：本發(fā)明提供的活性炭、其制備方法及應(yīng)用，通過這一方法的制備獲得的活性炭球，本身由相互交聯(lián)的石墨烯納米片構(gòu)成，比表面積可高達4000m²g^-1，具有合理的孔徑分布。并且在水系下的比電容值可達到400fg^-1，有機系下的電容值達到200fg^-1，具有較好的使用性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的活性炭制備方法的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例的活性炭制備方法步驟100的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例的活性炭制備方法步驟400的方法流程圖；

圖4為本發(fā)明實施例1的活性炭球的電鏡照片；

圖5為本發(fā)明實施例1的活性炭球的比表面積和孔徑分布情況；

圖6為本發(fā)明實施例2的活性炭球做成的電容器在水系條件下，兩電極測試的充放電曲線（1ag^-1放電速度）；

圖7為本發(fā)明實施例4的活性炭球做成的電容器在有機系條件下，兩電極測試的充放電曲線（0.2ag^-1放電速度）；

圖8為本發(fā)明實施例4的活性炭球做成的電容器在有機系條件下，兩電極測試的充放電曲線（1ag^-1放電速度）。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種活性炭、其制備方法及應(yīng)用。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明具體實施例的一種活性炭制備方法。在本實施例中，可以大致包括聚合物前驅(qū)體合成、前驅(qū)體的預(yù)碳化及碳球的活化處理三個步驟。如圖1所示，所述方法具體包括如下步驟：

100、通過乳液聚合法，合成前驅(qū)體，所述前驅(qū)體為聚苯胺和/或聚吡咯的聚合物小球。

圖2為所述步驟100的具體方法流程圖。具體可以使用如圖2所示的方法步驟來完成聚合物小球的制備。該步驟100具體可以包括：

101、在水溶劑中加入苯胺和吡咯的混合物。其中，水溶劑和苯胺、吡咯的添加比例為：50-200ml水中加入1-8ml苯胺和1-6ml的吡咯。

102、加入表面活性劑，攪拌形成微乳液。其中，所述表面活性劑為曲拉通。加入量優(yōu)選可以設(shè)置為0.5-5g。

103、將所述微乳液置于冰浴裝置中，逐滴滴加預(yù)定量的，過冷的0.1-0.5mol/l過硫酸銨溶液，在攪拌條件下，聚合預(yù)定的時間獲得聚合物小球。一般的，聚合時間可以選擇在12小時，或者根據(jù)實際情況進行調(diào)整。所述預(yù)定量的0.5mol/l過硫酸銨溶液可以為1-40ml。

200、在所述前驅(qū)體中加入磷酸進行摻雜。

具體的，所述步驟200具體可以包括：首先將步驟100獲得的聚合物小球洗滌干凈，然后加入85%的磷酸進行摻雜并烘干。磷酸加入的量為0.1-3ml。

300、對摻雜后的前驅(qū)體進行預(yù)碳化處理，獲得預(yù)碳化小球。在本實施例中，所述步驟300具體可以是：在惰性氣體保護下，對所述摻雜后的前驅(qū)體熱處理0.5-4小時，熱處理溫度為250-650℃，加熱升溫速度為1-50℃/分鐘。具體使用的惰性氣體可以是氮氣、氬氣、氦氣的其中一種或者多種混合組成的混合氣。

400、活化所述預(yù)碳化小球。

如圖3所示，為本發(fā)明實施例提供的步驟400的具體方法流程圖，用以實現(xiàn)預(yù)碳化小球的活化過程。該活化過程具體包括：

401、將所述預(yù)碳化小球與氫氧化鉀或者氫氧化鈉按照預(yù)定的比例均勻混合。其中，所述預(yù)定的比例為所述預(yù)碳化小球與氫氧化鉀或者氫氧化鈉的質(zhì)量比為3:1至5:1之間。

402、在惰性氣體保護下，加熱處理。其中，加熱處理的溫度為700-1000℃，時間為0.5-4小時，加熱升溫速度為1-50℃/分鐘。與對上述步驟相類似的，所述惰性氣體也可以是氮氣、氬氣、氦氣的其中一種或者多種混合組成的混合氣。

403、將加熱后的產(chǎn)物洗滌至中性并干燥。干燥后即可獲得目標所需要的活性炭球。

通過上述制備方法，可以制備獲得相應(yīng)的活性炭球。在活性炭球制備完畢后，可以通過多種不同的方式，對活性炭球的一種或者多種物理化學(xué)特性進行檢測。

在本實施例中，所述活性炭球由相互交聯(lián)的石墨烯納米片構(gòu)成，為直徑20-100納米的活性炭球。

其中，所述活性炭球的比表面積為2000-4000m²/g；所述活性炭球的微孔孔徑為0.5-2納米，孔的體積為0.5-3.5cc/g。所述活性炭球的晶格中摻雜有氮和磷；氮的摻雜濃度為0.05%-8.5%，磷的摻雜濃度為0.05%-8.5%。

以下結(jié)合若干個具體實施例，對活性炭球的制備方法進行詳細描述。

實施例1：本實施例制備方法所獲得的活性炭球的尺寸在50納米左右，比表面積在3200m²/g，微孔集中分布在1nm左右，孔體積在1.6cc/g（如圖5所示）。

制備方法包括：

一、碳球前驅(qū)體合成：

a:在200ml水溶劑中加入4ml苯胺和3ml吡咯，然后加入0.6g的表面活性劑曲拉通，攪拌形成微乳液。

b:將上述微乳液置于冰浴裝置中，逐滴滴加過冷的20ml的0.5moll-1過硫酸銨溶液到上述溶液中，在攪拌條件下聚合12小時。

c：將聚合后的聚合物小球洗滌干凈后，加入1ml磷酸進行摻雜，然后烘干處理，得到預(yù)碳化的前驅(qū)體。

二、預(yù)碳化處理：

將碳球前驅(qū)體合成獲得的碳化前驅(qū)體在氮氣保護下，熱處理2小時，熱處理溫度為350，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

三、活性炭球的活化處理：

將預(yù)碳化處理后的活性炭球和氫氧化鉀按照質(zhì)量比1:1的比例均勻混合后，在氮氣保護下，加熱處理。加熱處理的溫度為800℃，時間為2小時加熱升溫速度為5℃/分鐘。

圖4為實施例1的制備方法制備獲得的活性炭球的電鏡照片。如圖4所示，所述活性炭呈現(xiàn)較為規(guī)則的球形。碳球的直徑大致為50nm。

實施例2：本實施例制備方法所獲得的活性炭球的尺寸在50納米左右，比表面積在3400m²/g，微孔集中分布在1.5nm左右，孔體積在2cc/g。

制備方法包括：

一、碳球前驅(qū)體合成：

a:在200ml水溶劑中加入4ml苯胺和3ml吡咯，然后加入0.6g的表面活性劑曲拉通，攪拌形成微乳液。

b:將上述微乳液置于冰浴裝置中，逐滴滴加過冷的20ml的0.5moll-1過硫酸銨溶液到上述溶液中，在攪拌條件下聚合12小時。

c：將聚合后的聚合物小球洗滌干凈后，加入2ml磷酸進行摻雜，然后烘干處理，得到預(yù)碳化的前驅(qū)體。

二、預(yù)碳化處理：

將碳球前驅(qū)體合成獲得的碳化前驅(qū)體在氮氣保護下，熱處理2小時，熱處理溫度為350，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

三、活性炭球的活化處理：

將預(yù)碳化處理后的活性炭球和氫氧化鉀按照質(zhì)量比1:1的比例均勻混合后，在氮氣保護下，加熱處理。加熱處理的溫度為800℃，時間為2小時，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

圖6為實施例2的制備方法制備獲得的活性炭球制備獲得的電容器在水系條件下，兩電極測試的充放電曲線。如圖5所示，在1ag^-1放電速度下，電容值可以達到360fg^-1。

實施例3：本實施例制備方法所獲得的活性炭球的尺寸在80納米左右，比表面積在3000m²/g，微孔集中分布在1nm左右，孔體積在1.6cc/g。

制備方法包括：

一、碳球前驅(qū)體合成：

a:在200ml水溶劑中加入4ml苯胺和3ml吡咯，然后加入0.3g的表面活性劑曲拉通，攪拌形成微乳液。

b:將上述微乳液置于冰浴裝置中，逐滴滴加過冷的20ml的0.5moll-1過硫酸銨溶液到上述溶液中，在攪拌條件下聚合12小時。

c：將聚合后的聚合物小球洗滌干凈后，加入1ml磷酸進行摻雜，然后烘干處理，得到預(yù)碳化的前驅(qū)體。

二、預(yù)碳化處理：

將碳球前驅(qū)體合成獲得的碳化前驅(qū)體在氮氣保護下，熱處理2小時，熱處理溫度為350，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

三、活性炭球的活化處理：

將預(yù)碳化處理后的活性炭球和氫氧化鉀按照質(zhì)量比1:1的比例均勻混合后，在氮氣保護下，加熱處理。加熱處理的溫度為800℃，時間為2小時，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

實施例4：本實施例制備方法所獲得的活性炭球的尺寸在30納米左右，比表面積在3800m²/g，微孔集中分布在2nm左右，孔體積在1.6cc/g。

制備方法包括：

一、碳球前驅(qū)體合成：

a:在200ml水溶劑中加入4ml苯胺和3ml吡咯，然后加入1.2g的表面活性劑曲拉通，攪拌形成微乳液。

b:將上述微乳液置于冰浴裝置中，逐滴滴加過冷的20ml的0.5moll-1過硫酸銨溶液到上述溶液中，在攪拌條件下聚合12小時。

c：將聚合后的聚合物小球洗滌干凈后，加入2ml磷酸進行摻雜，然后烘干處理，得到預(yù)碳化的前驅(qū)體。

二、預(yù)碳化處理：

將碳球前驅(qū)體合成獲得的碳化前驅(qū)體在氮氣保護下，熱處理2小時，熱處理溫度為350，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

三、活性炭球的活化處理：

將預(yù)碳化處理后的活性炭球和氫氧化鉀按照質(zhì)量比1:2的比例均勻混合后，在氮氣保護下，加熱處理。加熱處理的溫度為800℃，時間為2小時，加熱升溫速度為5℃/分鐘。

圖7為實施例4的制備方法制備獲得的活性炭球制備獲得的電容器在有機條件下，兩電極測試的充放電曲線。如圖6所示，在0.2ag^-1放電速度下，電容值可以達到175fg^-1。

圖8為實施例4的制備方法制備獲得的活性炭球制備獲得的電容器在有機條件下，兩電極測試的充放電曲線。如圖7所示，在1ag^-1放電速度下，電容值可以達到175fg^-1。

在本發(fā)明實施例中，上述制備方法實施例中制備獲得的活性炭球可以應(yīng)用多種不同的用途，例如應(yīng)用于超級電容器的電極材料，催化劑載體材料、氣體吸附材料或者油污吸附材料等活性炭應(yīng)用用途。

可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及本發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。