專利名稱：：一種負載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于材料科學和電化學科學
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種負載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法及其應(yīng)用。技術(shù)背景隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類生活環(huán)境的提高，對能源的要求也越來越多樣化，也要求儲能設(shè)備具有更高的能量密度和功率密度，來替代或者輔助當前使用的能源裝置，電化學電容器作為一種能量密度和功率密度介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲能器件，引起廣泛的關(guān)注和研究。電化學電容器有著無可比擬的優(yōu)點與傳統(tǒng)電容器相比，容量密度大得多，比同體積電解電容器容量大20006000倍；與電池相比，功率密度高得多，可作為功率輔助器，供給大電流；充放電效率高，超長壽命，充放電大于40萬次；溫度范圍較寬，免維護，環(huán)境友好等特點。電化學電容器按儲能原理可以分為兩類雙電層電容器(Electricdoublelayercapacitor)和贗電容器(Pseudocapacitor),雙電層電容器是利用多孔材料表面和電解質(zhì)之間形成的雙電層電容來存儲能量的，贗電容器又叫法拉第準電容器是指在電極表面或者體相中的二維或準二維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)。電化學電容器研究的電極材料主要有三類炭基材料、金屬氧化物材料以及導電聚合物材料?；钚蕴坎牧弦云滟Y源豐富，價格低廉，吸附性能優(yōu)異，生產(chǎn)工藝成熟，具有高的比表面積和良好的電化學穩(wěn)定性在電化學電容器上得到了廣泛的商用。研究表明，活性炭材料的比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)是決定電化學電容器性能的關(guān)鍵因素，用高比表面積(3000-4000m2/g)活性炭時，材料以小于2nm的微孔為主，由于擴散阻力的影響，電解質(zhì)離子在極微小的孔內(nèi)部吸附與脫附受阻，難以形成有效的雙電層，使活性炭比表面積利用率降低，所以高比表面積活性炭，其比電容實際增量有限；用中孔活性炭作為電極材料，雖然比表面積的利用率較高，但其比表面積遠低于高比表面積活性炭，因而雙電層儲能的能力也有限。為了進一步提高炭材料的比電容，人們利用炭材料與金屬氧化物混合形成炭-金屬氧化物復合材料，通過雙電層電容和過渡金屬贗電容的共同作用，使復合材料的比電容明顯高于炭材料，大量文獻報道了通過物理混合方法，炭材料與Ru02、NiO、CoO、Mn02等過渡金屬氧化物制備復合材料，電容性能有所提高，特別是Ru02的效果最為明顯，但釕作為貴金屬材料，昂貴的價格限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，在其它金屬氧化物的研究中發(fā)現(xiàn)氧化鎳表現(xiàn)出較高的比電容和穩(wěn)定的電化學性能，與物理混合方法相比，通過化學吸附改性修飾活性炭得到復合材料性能良好，至今為止，在國內(nèi)外研究中，利用化學改性使NiO和Ni共同作用修飾活性炭，并作為電化學電容器電極材料的研究討論尚無相關(guān)報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種負載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明提出的負載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，利用無機金屬鹽溶液浸漬法和高溫熱解對活性炭進行改性處理，該方法制備的改性活性炭提高了原材料比電容，且化學性能穩(wěn)定，作為電化學電容器電極材料有著廣泛的商用價值。本發(fā)明提出的負載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，具體步驟如下配制濃度為O.5-10wty。的無機金屬鹽溶液，接著向其中加入活性炭，攪拌6-12小時，然后浸漬6-48小時，過濾，在100-15(TC溫度下干燥，將干燥后的產(chǎn)物置于管式爐中，在氮氣、氬氣或氦氣等保護下，以10-30。C/min的升溫速率升到200-80(TC對混合物進行熱處理，并在該溫度下反應(yīng)0.5-3小時，冷卻，即得所需產(chǎn)品；其中每100ml的無機金屬鹽溶液中活性炭的加入量為1-10克。本發(fā)明中，所述活性炭為粉末活性炭。本發(fā)明中，所述無機金屬鹽為Ni(N03)2。利用本發(fā)明方法制備得到的活性碳電極材料在電化學電容器中的應(yīng)用。采用浸漬法和熱分解法在活性炭中負載金屬NiO/Ni制備的電極材料，電化學電容器在充放電時既可以通過活性炭雙電層儲存電荷形成雙電層電容，也可利用過渡金屬氧化物NiO的氧化還原反應(yīng)儲存電荷形成準電容，提高活性炭的總電容量，且負載的金屬原子Ni有利于提高電極材料的導電特性。本發(fā)明方法制備的負載過渡金屬NiO/Ni活性炭電極的比電容與原樣活性炭最高增加了42%。圖1為實施例1-實施例5所得產(chǎn)品的XRD譜圖。其中，曲線A為對比例的XRD譜圖，曲線B為實施例1的XRD譜圖，曲線C為實施例2的XRD譜圖，曲線D為實施例3的XRD譜圖，曲線E為實施例4的XRD譜圖，曲線F為實施例5的XRD譜圖。曲線E表明活性炭同時負載金屬氧化物NiO和金屬原子Ni。具體實施方式進一步說明本發(fā)明。實施例卜5稱取適量Ni(N03)2，配制成濃度為2wt。/。的溶液，取上述溶液5份各100ml,每份加入5g活性炭粉末，攪拌12小時，然后室溫下浸漬24小時，過濾，并于12(TC溫度下干燥，將干燥后的樣品放入管式爐中，在氮氣保護下以1(TC/min的升溫速率升到30(TC(實施例1)、40CTC(實施例2)、500。C(實施例3)、55(TC(實施例4)和60CTC(實施例5)對樣品進行熱處理，并在對應(yīng)的溫度下恒溫2h，即制備得到所需產(chǎn)品。將所得的改性活性碳電極材料、石墨和聚四氟乙烯乳液按一定質(zhì)量比均勻混合、剪切攪拌，壓制成電極片，以KOH為電解液組裝成硬幣型電化學電容器。將組裝成模擬電容器進行測試，在電流為5mA條件下，實施例1-5電極材料比電容為196.2、200.5、210.6、237.9和195.0F/g，原活性炭(對比例)比電容為167.2F/g，分別增加了17%、20%、26%、42%和17%。比電容性能參數(shù)具體見表1。表l制備活性炭電極材料的比電容性能參數(shù)炭樣質(zhì)量比電容(F/g)對比例實施例1實施例2實施例3實施例4實施例55(mA)167,2196.2200.5210.6237.9195.060(mA)142.6175.7176.6181.3217.2159.2實施例6-9稱取適量Ni(N03)2，分別配制成濃度為lwt%(實施例6)、2wt%(實施例7)、3wt%(實施例8)和5wt%(實施例9)溶液，取上述溶液各100ml，每份加入5g活性炭粉末，攪拌6小時，然后在室溫下浸漬24小時，過濾后于13(TC溫度下干燥，將干燥后的樣品放入管式爐中，在氬氣保護下以20'C/min的升溫速率升到55(TC對樣品進行熱處理，并在相應(yīng)的溫度下恒溫處理2h，即得所需產(chǎn)品。將所得的改性活性碳電極材料、石墨和聚四氟乙烯乳液按一定質(zhì)量比均勻混合、剪切攪拌，壓制成電極片，以KOH為電解液組裝成硬幣型電化學電容器。將組裝成模擬電容器進行測試，在電流為5mA條件下，濃度為1wt%、2wt%、3wt%和5wt。/。溶液改性的活性炭，比電容為205.6、237.9、193.4和188.8F/g,原活性炭比電容為167.2F/g，分別增加了23%、42%、16%和13%。比電容性能參數(shù)具體見表2。表2制備活性炭電極材料的比電容性能參數(shù)炭樣質(zhì)量比電容(F/g)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種負載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下配制濃度為0.5-10wt％的無機金屬鹽溶液，接著向其中加入活性炭，攪拌6-12小時，然后浸漬6-48小時，過濾，在100-150℃溫度下干燥，將干燥后的產(chǎn)物置于管式爐中，在氮氣、氬氣或氦氣保護下，以10-30℃/min的升溫速率升到200-800℃對樣品進行熱處理，并在該溫度下反應(yīng)0.5-3小時，冷卻，即得所需產(chǎn)品；其中每100ml的無機金屬鹽溶液中活性炭的加入量為1-10克。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的負載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，其特征在于所述活性炭為粉末活性炭。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的負載過渡金屬的活性碳電極材料的制備方法，其特征在于所述無機金屬鹽為Ni(N03)2。4、一種如權(quán)利要求1所述方法制備得到的活性碳電極材料在電化學電容器中的應(yīng)用。全文摘要本發(fā)明屬于材料科學和電化學技術(shù)科學領(lǐng)域，具體涉及一種負載過渡金屬的活性炭電極材料的制備方法及其應(yīng)用。具體步驟為以活性炭和無機金屬化合物為原料，將活性炭浸漬在無機金屬鹽水溶液中，攪拌，浸漬，過濾后干燥，在保護氣體條件下，200-800℃對樣品進行熱處理，制得電化學電容器的電極材料。該方法制得的負載NiO/Ni活性炭材料在作為電化學電容器電極使用時比活性碳的比電容增加42％。該負載NiO/Ni活性炭材料具有制備簡單，成本低廉，性能優(yōu)異等優(yōu)點，是發(fā)展前景廣闊的一種電化學電容器電極材料。文檔編號H01G9/042GK101221854SQ20071017218公開日2008年7月16日申請日期2007年12月13日優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日發(fā)明者劉亞菲,靜張,俊曾,靜楊,胡中華,陳曉妹申請人:同濟大學