專利名稱：棉纖維炭基材料的制備方法及其作為超級電容器電極材料的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種棉纖維炭基材料的制備方法，屬于高分子材料領(lǐng)域；本發(fā)明還涉及棉纖維炭基材料作為超級電容器電極材料的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，化石類能源日益枯竭，現(xiàn)有的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)已無法滿足當(dāng)今需求，并且在使用煤和石油的過程中還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，開發(fā)新能源和可再生清潔能源是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)中必須要解決的問題。超級電容作為一種新型儲能元件，受到越來越多的關(guān)注，成為21世紀(jì)新能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分。 超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長、充電速度快、使用溫度范圍寬、安全環(huán)保等優(yōu)點，在各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。目前用于超級電容器研究的電極材料主要有三類碳材料，金屬氧化物以及導(dǎo)電聚合物。在這些材料中，碳材料具有原料豐富、價格低廉、比表面積大、導(dǎo)電性能好、電化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，被認(rèn)為是理想的超級電容器電極材料之一。通常所用的碳材料有碳納米管，炭氣凝膠，活性炭，石墨烯等，但由于這些材料的制備工藝較為復(fù)雜，成本高，使其在超級電容器的應(yīng)用中受到限制，于是人們便將目光聚焦于生物質(zhì)原材料。棉花是植物纖維中品質(zhì)最好、用量最大的纖維資源，纖維素含量可達(dá)棉花干重的95 %左右。纖維素是天然高分子化合物，其分子式為(C6HltlO5)n，分子量50000 2500000，相當(dāng)于300 15000個葡萄糖基，不溶于水及一般有機(jī)溶劑。由于棉纖維素是一種價格較低的可再生資源，在工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，纖維素主要用于紡織、造紙業(yè)。此外，用分離純化的纖維素做原料，可以制造人造絲，賽璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯類衍生物和甲基纖維素、乙基纖維素、羧甲基纖維素鈉等醚類衍生物，用于石油鉆井、食品、陶瓷釉料、日化、合成洗滌、石墨制品、鉛筆制造、電池、涂料、建筑建材、裝飾、蚊香、煙草、造紙、橡膠、農(nóng)業(yè)、膠粘劑、塑料、炸藥、電工及科研器材等方面。由于纖維素的微觀結(jié)構(gòu)是一種多孔性物質(zhì)，有利于電解液中的離子在其內(nèi)部轉(zhuǎn)移或運輸，所以有望作為超級電容器的電極材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種棉纖維炭基材料的制備方法;
本發(fā)明的另一目的是提供該棉纖維炭基材料作為超級電容器電極材料的應(yīng)用。本發(fā)明棉纖維炭基材料的制備方法，是將棉纖維分別用去離子水、乙醇洗滌后干燥，先于30(T350 °C保持:Γ5 h進(jìn)行預(yù)碳化，再在N2保護(hù)下，于70(T900 °C下碳化3 6 h ；然后將碳化的棉纖維浸泡于質(zhì)量濃度1(Γ30 %的1(0!1溶液中，于5(T80 °C浸泡2 5 h ;冷卻到室溫，過濾，于廣3 M HCl中浸泡6 18 h，最后用去離子水洗滌至中性，烘干，得棉纖維炭基材料。所述棉纖維與KOH溶液之間量的關(guān)系為每100 ml的KOH溶液中，浸泡O. 5 2. O
g的棉纖維。所述棉纖維與HCl溶液之間量的關(guān)系為每100 ml的HCl溶液中，浸泡O. 5 2. Og的棉纖維。圖I為碳化后的棉纖維炭基材料的掃描電鏡的微觀形貌圖(SH\0。從圖I可以看至IJ，所制備的棉纖維炭基材料為螺旋扭曲帶狀結(jié)構(gòu)，其表面呈分級的褶皺狀紋路。這與碳化前棉纖維的微觀結(jié)構(gòu)相類似，說明碳化過程并沒有破壞其結(jié)構(gòu)。圖2為碳化后的棉纖維炭基材料的廣角X射線衍射圖(XRD)，從圖2可以看到，在
20=2(Γ3Ο°之間有一個明顯寬峰，在2 〃 =45°左右有一小的吸收峰。該數(shù)據(jù)表明，該材料所具有的吸收峰即為炭基材料的特征吸收峰，且無其它明顯的雜峰，說明本發(fā)明制備的棉纖維炭基材料純度較高。由于棉纖維炭基材料保持了棉纖維的多孔性微觀結(jié)構(gòu)，同時有效改善了材料的純度，因此，以其作為超級電容器的電極材，有利于電解液中的離子在其內(nèi)部轉(zhuǎn)移或運輸。下面通過對棉纖維炭基材料在I mol/L H2SO4電解液中的循環(huán)伏安曲線(CV)來是說明其在電解液中的電荷傳遞能力。圖3為不同溫度(700°C、800 °C、900 °C )下碳化得到的棉纖維炭基材料在I mol/L H2SO4電解液中的循環(huán)伏安(CV)曲線。由圖3可見，碳化溫度為900 °〇時的棉纖維炭基材料的電化學(xué)面積明顯大于碳化溫度為700 1和800 °C，即碳化溫度為900 1時的棉纖維炭基材料的電化學(xué)面積最大，材料的循環(huán)伏安曲線的形狀越來越趨近于矩形，表明在高溫碳化下的棉纖維炭基材料具有更好的電荷傳遞過程。在碳化溫度較低時，棉纖維碳化不夠完全，使得其中未被碳化的不導(dǎo)電的成份限制了電荷的遷移，電荷傳遞過程受阻。因此，在單位時間內(nèi)材料表面電荷的聚集程度明顯減少。由于電極材料的比電容和CV面積是成正比例關(guān)系，因此，碳化溫度為900 °C時的棉纖維炭基材料的比電容最大，為220 F g'上述循環(huán)伏安曲線表明，本發(fā)明制備的棉纖維炭基材料具有較大的比電容，因此作為超級電容器的電極材料，具有原料來源豐富、制備工藝簡單、成本低、環(huán)境友好，導(dǎo)電性能及其電化學(xué)性能較優(yōu)異等特點，是一種比較理想的超級電容器電極材料。經(jīng)檢測，本發(fā)明棉纖維炭基材料作為超級電容器的電極材料，經(jīng)過10000次充放電循環(huán)后比電容僅減少了
3%。


圖I為碳化后的棉纖維炭基材料的掃描電鏡；
圖2為碳化后的棉纖維炭基材料的廣角X射線衍射 圖3為不同溫度下碳化得到的棉纖維炭基材料在I mol/L H2SO4電解液中的循環(huán)伏安曲線。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明棉纖維炭基材料的制備及其電化學(xué)性能作進(jìn)一步說明。
實施例I
稱取I. O g棉花，分別用去離子水、乙醇洗滌多次后，在真空干燥箱中60°C干燥；將干燥的棉花在30(Γ350 1下預(yù)碳化T5 h，再在N2保護(hù)下，將活化的棉纖維于700 °C碳化3h;然后將碳化后的棉花浸泡在50 ml 10 % KOH溶液中，于70 °C浸泡2 h，冷卻到室溫，過濾，再在50 ml I M HCl中浸泡12 h，最后用去離子水洗滌至中性，烘干，得到棉纖維炭基材料。棉纖維炭基材料在I mol/L H2SO4電解液中的比電容為185 F g'實施例2 稱取I. O g棉花，分別用去離子水、乙醇洗滌3次后，在真空干燥箱中60°C干燥；將干燥的棉花在30(Γ350 1下預(yù)碳化3 5 h，再在N2保護(hù)下，將活化的棉纖維于800 °C碳化6 h ；然后將碳化后的棉花浸泡在50 ml 30 % KOH溶液中，于50 °C浸泡4 h，冷卻到室溫，過濾，再在50 ml I M HCl中浸泡8 h，最后用去離子水洗滌至中性，烘干，得到棉纖維炭基材料。棉纖維炭基材料在I mol/L H2SO4電解液中的比電容為193 F g'實施例3
稱取I. O g棉花，分別用去離子水、乙醇洗滌多次后，在真空干燥箱中60°C干燥；將干燥的棉花在30(Γ350 1下預(yù)碳化T5 h，再在N2保護(hù)下，將活化的棉纖維于900 °C碳化3h;然后將碳化后的棉花浸泡在50 ml 20 % KOH溶液中，于80 °C浸泡2 h，冷卻到室溫，過濾，再在50 ml I M HCl中浸泡16 h，最后用去離子水洗滌至中性，烘干，得到棉纖維炭基材料。棉纖維炭基材料在I mol/L H2SO4電解液中的比電容為201 F g'上述實施例中，棉纖維炭基材料的電化學(xué)性能評價體系在常規(guī)的三電極體系中完成，采用上海辰華有限公司的CHI 660D型電化學(xué)工作站進(jìn)行測試；循環(huán)穩(wěn)定性測試采用武漢藍(lán)電電子有限公司的CT2001A型測試儀。工作電極是玻碳電極，對電極是鉬電極，參比電極是飽和甘汞電極。
權(quán)利要求
1.棉纖維碳基材料的制備方法，是將棉纖維分別用去離子水、乙醇洗滌后干燥，先于300^350 °C保持:Γ5 h進(jìn)行預(yù)炭化，再在N2保護(hù)下，于70(T900 °C下炭化T6 h ;然后將炭化的棉纖維浸泡于質(zhì)量濃度1(Γ30 %的KOH溶液中，于5(T80 °C浸泡2 5 h ;冷卻到室溫，過濾，于廣3 M HCl中浸泡6 18 h，最后用去離子水洗滌至中性，烘干，得棉纖維碳基材料。
2.如權(quán)利要求I所述棉纖維碳基材料的制備方法，其特征在于所述棉纖維與KOH溶液之間量的比例為每100 ml的KOH溶液中，浸泡O. 5^2. O g的棉纖維。
3.如權(quán)利要求I所述棉纖維碳基材料的制備方法，其特征在于所述棉纖維與HCl溶液之間量的比例為每100 ml的HCl溶液中，浸泡O. 5^2. O g的棉纖維。
4.如權(quán)利要求I所述方法制備的棉纖維碳基材料料用作超級電容器的電極材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種棉纖維炭基材料的制備方法，是將棉纖維分別用去離子水、乙醇洗滌后干燥，先于300~350℃保持3~5h進(jìn)行預(yù)碳化，再在N2保護(hù)下，于700~900℃下碳化3~6h；然后將碳化的棉纖維浸泡于質(zhì)量濃度10~30%的KOH溶液中，于50~80℃浸泡2~5h；冷卻到室溫，過濾，于1~3MHCl中浸泡6~18h，最后用去離子水洗滌至中性，烘干，得棉纖維炭基材料。實驗測定，本發(fā)明制備的棉纖維炭基材料具有較大的比電容，因此作為超級電容器的電極材料，具有原料來源豐富、制備工藝簡單、成本低、環(huán)境友好、導(dǎo)電性能及其電化學(xué)性能較優(yōu)異等特點，是一種比較理想的超級電容器電極材料。
文檔編號H01G9/042GK102942176SQ201210512139
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者馬國富, 牟晶晶, 彭輝, 雷自強 申請人:西北師范大學(xué)