一種利用食用菌培養(yǎng)基廢棄物制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用食用菌培養(yǎng)基廢棄物制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料的方法，它包括前處理、碳化、活化、酸洗等步驟，本發(fā)明利用食用菌培養(yǎng)基廢棄物中的有機(jī)物作為碳源制備超級(jí)電容器碳電極材料，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，提高了資源利用率，材料的比表面積高，孔徑均勻，大小一致，顯示出較高的比電容和良好的電化學(xué)性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種利用食用菌培養(yǎng)基廢棄物制備超級(jí)電容器多孔碳電極材 料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及超級(jí)電容器碳電極材料的制備方法，本發(fā)明還設(shè)及一種超級(jí)電容器工 作電極。
【背景技術(shù)】
[0002] 超級(jí)電容器作為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有存儲(chǔ)能量大、質(zhì)量輕、可循環(huán)次 數(shù)長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)異特征。超級(jí)電容器的綜合性能與電極材料密切相關(guān)，目前，商業(yè)化超級(jí) 電容器電極材料主要集中于碳材料，該材料具有優(yōu)異的電導(dǎo)性、較高的理論表面積，化學(xué)穩(wěn) 定性好、孔徑容易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)屬于能源密集型，其生產(chǎn)還是一個(gè)不可再生的過(guò)程。因此，改進(jìn)電 極材料，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的可再生化，具有非常重要的意義。在尋找可再生的超級(jí)電容器碳電極材 料的過(guò)程中，來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉的生物質(zhì)材料引起了科研人員的廣泛興趣，近年來(lái)，多種 生物質(zhì)材料已被用于制備碳電極，但是目前還沒(méi)有用食用菌培養(yǎng)基廢棄物制備超級(jí)電容器 碳電極材料的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是利用食用菌培養(yǎng)基廢棄物為原料，制備多孔碳電極材料并將其應(yīng) 用于超級(jí)電容器工作電極。
[0005] 本發(fā)明提供的超級(jí)電容器多孔碳電極材料的制備方法如下：
[0006] 1)前處理:將食用菌培養(yǎng)基廢棄物先用稀鹽酸浸泡5~20h之后用水清洗至中性， 再用丙酬浸泡5~20h，之后依次用水和無(wú)水乙醇分別洗涂3-4次，最后放于烘箱烘干；
[0007] 2)碳化:將烘干后的食用菌培養(yǎng)基廢棄物置于管式爐中，在氣氣氛圍下W2~6TV min的速率升溫到500~700°C，并恒溫碳化0.5~化，待溫度降到室溫后取出碳化產(chǎn)物；
[0008] 3)活化:將碳化產(chǎn)物與KO田安1:2~6的質(zhì)量比混合并研磨至均勻的粉末，然后置于 管式爐中，在氣氣氛圍下W2~6°C/min的速率升溫到700~800°C，并恒溫活化1~化，待溫 度降到室溫后取出活化產(chǎn)物；
[0009] 4)酸洗:將活化產(chǎn)物先用稀鹽酸洗涂，再用水洗至中性，最后將其置于鼓風(fēng)干燥箱 中干燥，即得到超級(jí)電容器多孔碳電極材料。
[0010] 優(yōu)選地，步驟2)中，所述的升溫速率為：rC/min，碳化溫度為700°C，碳化時(shí)間為化。
[0011] 優(yōu)選地，步驟3)中，所述碳化產(chǎn)物與KOH的質(zhì)量比為1: 4。
[001^ 優(yōu)選地，步驟3)中，所述的升溫速率為rC/min，活化溫度為750°C，活化時(shí)間為3h。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步提供一種超級(jí)電容器工作電極，該電極由超級(jí)電容器多孔碳電極材 料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑組成，所述超級(jí)電容器多孔碳電極材料是按照上述的方法制備的。
[0014] 優(yōu)選地，所述導(dǎo)電劑為Super P、粘結(jié)劑為PTFE(聚四氣乙締），所述超級(jí)電容器多 孔碳電極材料:導(dǎo)電劑:粘結(jié)劑的質(zhì)量比為8:1:1。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1)由于食用菌培養(yǎng)基廢棄物中富含有機(jī)物，因此可作為碳源制備超級(jí)電容器電極 碳材料，從而變廢為寶，提高了資源利用率；
[0017] 2)步驟簡(jiǎn)單，原材料來(lái)源廣泛，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，重復(fù)性好；
[0018] 3)本發(fā)明制備的超級(jí)電容器電極碳材料具有多孔結(jié)構(gòu)，材料的比表面積高達(dá) 3439mYi，而且孔徑均勻，大小一致，顯示出較高的比電容和良好的電化學(xué)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是S電極體系下測(cè)試的循環(huán)伏安曲線圖（1M出S化為電解液）。
[0020] 圖2是S電極體系下測(cè)試的循環(huán)伏安曲線圖（6M KOH為電解液）。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 實(shí)施例1
[0022] 1.超級(jí)電容器多孔碳電極材料的制備
[0023] 1)前處理:將食用菌培養(yǎng)基廢棄物先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀鹽酸浸泡1化除去雜 質(zhì)（主要是碳酸巧雜質(zhì)），然后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡12h，之后依次用水和無(wú) 水乙醇分別洗涂4次，最后置于70°C烘箱干燥2地；
[0024] 2)碳化:取烘干后的食用菌培養(yǎng)基廢棄物置于管式爐中，在氣氣氛圍下WStVmin 的速率升溫到500°C，并恒溫碳化化，之后待管式爐的溫度降到室溫后取出碳化產(chǎn)物；
[0025] 3)活化:取碳化產(chǎn)物與KO田安1:4的質(zhì)量比混合，并研磨至均勻的粉末，然后將其置 于管式爐中，在氣氣氛圍下W5°C/min的速率升溫到700°C和800°C，分別在700°C和800°C下 般燒化、2h、化，待溫度降到室溫后即可取出活化產(chǎn)物；
[0026] 4)酸洗:將活化產(chǎn)物先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀鹽酸洗涂，除去樣品中多余的堿性 物質(zhì)化OH)，再用水洗至中性，最后將其置于80°C鼓風(fēng)干燥箱中干燥，即得到超級(jí)電容器多 孔碳電極材料。
[0027] 2.超級(jí)電容器工作電極的制備
[00%]取制備的多孔碳電極材料、導(dǎo)電劑(Super P)、粘結(jié)劑(PTFE)，按質(zhì)量比為8:1:1混 合，加入適量的乙醇后用研鉢混合均勻并調(diào)制成漿狀，將制成的勻漿滴在不誘鋼網(wǎng)和泡沫 儀上(不誘鋼網(wǎng)制備的電極片用于出S化電解液中測(cè)試，泡沫儀制備的電極片用于KOH電解液 中測(cè)試），然后轉(zhuǎn)移至真空干燥箱中80°C干燥12h，最后取出電極片，稱(chēng)重后備用。
[0029] 3.樣品測(cè)試
[0030] 制得的工作電極采用S電極體系測(cè)試，W銷(xiāo)片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，通 過(guò)恒電流充放電測(cè)試比電容(F/g)數(shù)據(jù)。其中不誘鋼網(wǎng)電極片用于出SO油解液中，泡沫儀電 極片用于KOH電解液中。所有的電化學(xué)測(cè)試均在辰華CHI660E(中國(guó)，上海）電化學(xué)工作站中 進(jìn)行。
[0031] S電極體系下測(cè)試的循環(huán)伏安曲線（1M此S化電解液)說(shuō)明：1.循環(huán)伏安曲線顯示 出類(lèi)矩形形狀，表現(xiàn)出典型的雙電層電容特性，甚至在大掃速500mV/s仍保持類(lèi)似矩形的曲 線，說(shuō)明該材料具有很好的倍率性能。2.曲線中均發(fā)現(xiàn)了一對(duì)明顯的氧化還原峰，表明材料 充放電過(guò)程中發(fā)生了法拉第氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生了歴電容，從而提高了比電容。
[0032] S電極體系下測(cè)試的循環(huán)伏安曲線(6M KOH電解液)說(shuō)明：循環(huán)伏安曲線顯示出類(lèi) 矩形形狀，表現(xiàn)出典型的雙電層電容特性，當(dāng)掃速增加到200mV/s時(shí)仍保持類(lèi)似矩形的曲線 圖，運(yùn)一結(jié)果表明該材料不僅僅在酸性體系中表現(xiàn)出良好的倍率性能，在堿性體系中同樣 也具有良好的倍率性能。
[0033] 表1實(shí)施例1多孔碳材料在IM出S化電解液中的比電容
[OCnzH
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[OC
[OC
[0038] 從W上數(shù)據(jù)可W看出，本發(fā)明制備的超級(jí)電容器材料具有較高的比電容，其中在 700°C活化化的多孔碳材料的比電容較高。
[0039] 實(shí)施例2
[0040] I.超級(jí)電容器多孔碳電極材料的制備
[0041] 1)前處理:將食用菌培養(yǎng)基廢棄物先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%稀鹽酸浸泡1化除去雜質(zhì)， 然后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡12h，之后依次用水和無(wú)水乙醇分別洗涂4次，最后 置于70°C烘箱干燥24h;
[0042] 2)碳化:取烘干后的食用菌培養(yǎng)基廢棄物置于管式爐中，在氣氣氛圍下W3°C/min 的速率升溫到700°C并恒溫碳化化，待溫度降到室溫后取出碳化產(chǎn)物；
[0043] 3)活化:取碳化產(chǎn)物與KO田安1:4的質(zhì)量比混合，并研磨至均勻的粉末，然后將其置 于管式爐中，在氣氣氛圍下W3°C/min的速率升溫到750°C，并恒溫般燒化，待溫度降到室溫 后取出活化產(chǎn)物；
[0044] 4)酸洗:將活化產(chǎn)物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀鹽酸洗涂，然后用水洗涂至溶液pH為 中性，最后將其置于80°C鼓風(fēng)干燥箱中干燥，即得到多孔碳電極材料。
[0045] 2.超級(jí)電容器工作電極的制備
[0046] 與實(shí)施例1相同。
[0047] 3.樣品測(cè)試
[004引與實(shí)施例1相同，結(jié)果見(jiàn)表3。
[0049]表3實(shí)施例2多孔碳材料的比電容
[(K)加 ]
[0化1] 實(shí)施例3
[0052] 1.超級(jí)電容器多孔碳電極材料的制備
[0053] 1)前處理：將食用菌培養(yǎng)基廢棄物先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%稀鹽酸浸泡20h除去雜質(zhì) (主要是碳酸巧雜質(zhì)），然后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡化，之后依次用水和無(wú)水乙 醇分別洗涂4次，最后置于70°C烘箱干燥24h;
[0054] 2)碳化:取烘干后的食用菌培養(yǎng)基廢棄物置于管式爐中，在氣氣氛圍下W6°C/min 的速率升溫到700°C，并恒溫碳化0.化，待溫度降到室溫后取出碳化產(chǎn)物；
[0055] 3)活化:取碳化產(chǎn)物與KOH按1:2的質(zhì)量比混合并研磨成均勻的粉末，然后將其置 于管式爐中，在氣氣氛圍下W2°C/min的速率升溫到700°C，并恒溫般燒化，待溫度降到室溫 后取出；
[0056] 4)酸洗:將活化產(chǎn)物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀鹽酸洗涂，然后用水洗涂至溶液pH為 中性，最后將其置于80°C鼓風(fēng)干燥箱中干燥，即得到多孔碳電極材料。
[0057] 2.超級(jí)電容器工作電極的制備
[005引取制得的多孔碳電極材料、導(dǎo)電劑(Super P)、粘結(jié)劑(PTFE)，按質(zhì)量比為8:2:2混 合，加入適量的乙醇后用研鉢混合均勻并調(diào)制成漿狀，將制成的勻漿滴在不誘鋼網(wǎng)和泡沫 儀上(不誘鋼網(wǎng)制備的電極片用于出S化電解液中測(cè)試，泡沫儀制備的電極片用于KOH電解液 中測(cè)試），然后轉(zhuǎn)移至真空干燥箱中80°C干燥12h，最后取出電極片，稱(chēng)重后備用。
[0059] 3.樣品測(cè)試
[0060] 與實(shí)施例1相同，結(jié)果見(jiàn)表4。
[0061 ] 夫4違脯例3《孔碳材魁的比由怒
[0062]
[0063] 實(shí)施例4
[0064] 1.超級(jí)電容器多孔碳電極材料的制備
[0065] 1)前處理:將食用菌培養(yǎng)基廢棄物先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%稀鹽酸浸泡化除去雜質(zhì)，然 后用水洗涂至中性，再用丙酬溶液浸泡20h，之后依次用水和無(wú)水乙醇分別洗涂4次，最后置 于70°C烘箱干燥24h;
[0066] 2)碳化:將烘干后的食用菌培養(yǎng)基廢棄物置于管式爐中，在氣氣氛圍下W2°C/min 的速率升溫到500°C并恒溫碳化化，待溫度降到室溫后取出；
[0067] 3)活化:取碳化產(chǎn)物與KOH按1:6的質(zhì)量比混合并研磨成均勻的粉末，然后置于管 式爐中，氣氣氛圍下W6°C/min的速率升溫到800°C，并恒溫活化化，待溫度降到室溫后取 出；
[0068] 4)酸洗:將活化產(chǎn)物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀鹽酸洗涂，然后用水洗至中性，最后置 于80°C鼓風(fēng)干燥箱中干燥，即得到多孔碳電極材料。
[0069] 2.超級(jí)電容器工作電極的制備
[0070] 取超級(jí)電容器多孔碳電極材料、導(dǎo)電劑（Super P)、粘結(jié)劑(PTFE)，按質(zhì)量比為8: 0.5:0.5混合，加入適量的乙醇后用研鉢混合均勻并調(diào)制成漿狀，將制成的勻漿滴在不誘鋼 網(wǎng)和泡沫儀上（不誘鋼網(wǎng)制備的電極片用于此S化電解液中測(cè)試，泡沫儀制備的電極片用于 KOH電解液中測(cè)試），然后轉(zhuǎn)移至真空干燥箱中80°C干燥12h，最后取出電極片，稱(chēng)重后備用。 [OOW 3.樣品測(cè)試
[0072] 與實(shí)施例1相同，結(jié)果見(jiàn)表5。
[0073] 表5實(shí)施例4多孔碳材料的比電容
[0074]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用食用菌培養(yǎng)基廢棄物制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料的方法，其特征在于 包括以下步驟： 1) 前處理:將食用菌培養(yǎng)基廢棄物先用稀鹽酸浸泡5~20h之后用水清洗至中性，再用 丙酮浸泡5~20h，之后依次用水和無(wú)水乙醇分別洗滌3-4次，最后放于烘箱烘干； 2) 碳化:將烘干后的食用菌培養(yǎng)基廢棄物置于管式爐中，在氬氣氛圍下以2~6°C/min 的速率升溫到500~700 °C，并恒溫碳化0.5~5h，待溫度降到室溫后取出碳化產(chǎn)物； 3) 活化:將碳化產(chǎn)物與KOH按1:2~6的質(zhì)量比混合并研磨至均勻的粉末，然后置于管式 爐中，在氬氣氛圍下以2~6°C/min的速率升溫到700~800°C，并恒溫活化1~3h，待溫度降 到室溫后取出活化產(chǎn)物； 4) 酸洗:將活化產(chǎn)物先用稀鹽酸洗滌，再用水洗至中性，最后將其置于鼓風(fēng)干燥箱中干 燥，即得到超級(jí)電容器多孔碳電極材料。2. 如權(quán)利要求1所述的制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料的方法，其特征在于：步驟2) 中，所述碳化的升溫速率為3°C/min，碳化溫度為700°C，碳化時(shí)間為lh。3. 如權(quán)利要求1所述的制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料的方法，其特征在于：步驟3) 中，所述碳化產(chǎn)物與KOH的質(zhì)量比為1:4。4. 如權(quán)利要求1所述的制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料的方法，其特征在于：步驟3) 中，所述活化的升溫速率為3°C/min，活化溫度為750°C，活化時(shí)間為3h。5. -種超級(jí)電容器工作電極，由超級(jí)電容器多孔碳電極材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑組成，其 特征在于:所述超級(jí)電容器多孔碳電極材料是按照權(quán)利要求1~4任何一項(xiàng)所述的方法制備 的。6. 如權(quán)利要求5所述的超級(jí)電容器工作電極，其特征在于:所述導(dǎo)電劑為Super P、粘結(jié) 劑為PTFE，所述超級(jí)電容器多孔碳電極材料:導(dǎo)電劑:粘結(jié)劑的質(zhì)量比為8:1:1。
【文檔編號(hào)】H01G11/86GK106098407SQ201610651606
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月10日 公開(kāi)號(hào)201610651606.0, CN 106098407 A, CN 106098407A, CN 201610651606, CN-A-106098407, CN106098407 A, CN106098407A, CN201610651606, CN201610651606.0
【發(fā)明人】曹菲菲, 汪萍, 張耕, 鄭新生
【申請(qǐng)人】華中農(nóng)業(yè)大學(xué)