一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽制備超級電容器用多孔炭的方法
【專利摘要】本發(fā)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)制備超級電容器用多孔炭的方法，其特征在于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?dú)饣驓鍤鈿夥罩杏?00-1200℃保持2h，冷卻至室溫后取出研磨，得到的多孔炭浸泡在質(zhì)量濃度為10-30％的稀鹽酸或稀硝酸中，采取超聲分散攪拌等方式，水洗至溶液為中性，過濾后放入烘箱中100℃干燥6h，研磨充分后即可制得用于超級電容器的多孔炭材料。本發(fā)明方法制備工藝簡單，操作容易，原料價(jià)廉易得，采用本發(fā)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(chǎn)品性能好等特點(diǎn)，所制得的多孔炭材料用于制備超級電容器，表現(xiàn)出很好的電容特性。
【專利說明】 —種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽制備超級電容器用多孔炭的
方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多孔炭材料制備方法【技術(shù)領(lǐng)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，通過直接炭化法制備超級電容器用多孔炭材料的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]超級電容器又叫電化學(xué)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(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，是近年來出現(xiàn)的一種新型能源器件，其功率密度遠(yuǎn)高于普通電池(10?100倍)，能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)物理電容。超級電容器比傳統(tǒng)電容器具有體積小、充電速度快、循環(huán)壽命長、放電功率高、容量大、工作溫度寬等優(yōu)點(diǎn)，可用作微機(jī)存儲器的后備電源、電動汽車的后備電源等。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(jìn)口的依賴，有利于國家石油安全；有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問題；有利于解決戰(zhàn)車的低溫啟動問題。
[0003]多孔炭材料具有化學(xué)穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，孔結(jié)構(gòu)的引入使其同時(shí)具有比表面積大、孔道結(jié)構(gòu)可控、孔徑可調(diào)等特點(diǎn)。多孔炭材料在氣體分離、水的凈化、色譜分析、催化和光催化及能量存儲等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電池或電容的電極材料中的應(yīng)用更為普遍。
[0004]脲醛樹脂是尿素與甲醛反應(yīng)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(fā)較早的熱固性樹脂之一。本發(fā)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，制備出具有新型開放孔道結(jié)構(gòu)的具有性能優(yōu)良的多孔炭材料，具有價(jià)格低廉，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的應(yīng)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制備方法。這兩種方法工藝工程復(fù)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(xué)性能較好。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)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)制備超級電容器用多孔炭的方法，采用直接炭化，制備能量密度高的多孔炭。
[0007]本發(fā)明利用脲醛樹脂和檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)為原料制備用于超級電容器的多孔炭材料的方法，其特征在于:將脲醛樹脂和檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)置于惰性氣氛中于800-1200°C保持l_2h。冷卻至室溫后，研磨至細(xì)粉末，然后浸泡在稀酸中，采取超聲分散至分布均勻，攪拌6h后進(jìn)行抽濾，水洗至洗出液為中性，干燥即得到多孔炭材料。
[0008]從場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)圖片可以看出上述制備得到的材料具有多孔結(jié)構(gòu)。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(zhì)量比80: 15: 5的比例，加入少量的無水乙醇混合均勻，均勻涂抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上，在100°C下真空干燥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(zhì)水溶液中進(jìn)行電化學(xué)性能的測試。充放電曲線呈現(xiàn)出三角分布且都隨時(shí)間線性變化，具有良好的電容特性。所有的循環(huán)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(huán)伏安曲線以及充放電曲線可以看出，采用本發(fā)明方法制備的多孔炭材料可作為超級電容器材料。
[0009]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0010]本發(fā)明首次以脲醛樹脂為原料制備用于超級電容器的多孔炭材料，脲醛樹脂的結(jié)構(gòu)與酚醛樹脂、秸桿、微生物的結(jié)構(gòu)有較大的不同，從而擴(kuò)大了制備多孔炭材料的原料。檸檬酸及檸檬酸鹽是常見的制備多孔炭材料的原料，而采用脲醛樹脂與檸檬酸鹽(檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鋅)作為制備多孔炭材料的原料在國內(nèi)外至今未見報(bào)道。本發(fā)明原料易得，價(jià)格低廉，制備方法簡單，工藝操作簡便，制得的多孔炭性能穩(wěn)定，能量密度高用于超級電容器表現(xiàn)出良好的電容特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為實(shí)施例1中制得的產(chǎn)物材料的FESEM圖。
[0012]圖2為實(shí)施例2中制得的產(chǎn)物材料的FESEM圖。
[0013]圖3為實(shí)施例3中制得的產(chǎn)物材料的FESEM圖。
[0014]圖4為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質(zhì)量比1: 1，1: 2，2:1條件下制得的多孔炭，在50mV S-1下的循環(huán)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(zhì)量比1: 1，1: 2，2:1條件下制得的多孔炭在IAg—1下的充放電圖，分別可達(dá)到250F g^,190F g^,150F g_\分別用a、b、c表示。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0017]實(shí)施例1:
[0018]本實(shí)例中利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀，在不同質(zhì)量配比下進(jìn)行炭化，制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(zhì)量比為1:1的條件下炭化制備多孔炭。
[0020]取3.0g脲醛樹脂和3.0g檸檬酸鉀充分研磨混合后，取適量的樣品放入管式爐中在氮?dú)鈿夥罩幸?°C rniiT1升溫速率升溫至800°C，恒溫2h。降至室溫后，將所得樣品用質(zhì)量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸溶解，超聲Ih攪拌6h，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。
[0021](2)對實(shí)施例1制得的多孔炭進(jìn)行電化學(xué)性能測試:
[0022]為了測試所制得的的多孔炭性能，將多孔炭:石墨:聚四氟乙烯的乳液按質(zhì)量比80: 15: 5的比例混合,加入無水乙醇充分研磨,均勻涂抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上。在100°C真空下干燥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(zhì)水溶液中進(jìn)行電化學(xué)性能的測試?？梢钥闯龀浞烹娗€呈現(xiàn)三角對稱分布并隨時(shí)間線性變化，可具有良好的電容特性。
[0023]圖1為實(shí)施例1中制得的產(chǎn)物材料的FESEM圖，可以看到本實(shí)施例中的脲醛樹脂和檸檬酸鉀炭化制備的多孔炭材料樣品具有多孔結(jié)構(gòu)。通過電化學(xué)測試知，能量密度高，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，其電化學(xué)性能優(yōu)于脲醛樹脂直接炭化產(chǎn)物。
[0024]實(shí)施例2:
[0025](I)利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀為原料在800°C，質(zhì)量比為1: 2的條件下炭化制備多孔炭。
[0026]取3.0g脲醛樹脂和6.0g檸檬酸鉀充分研磨混合后，取適量的樣品放入管式爐中在氮?dú)鈿夥罩幸?°C rniiT1升溫速率升溫至800°C，恒溫2h。降至室溫后，將所得樣品用質(zhì)量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗Ih攪拌反應(yīng)6h，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。
[0027](2)對實(shí)施例2制得的多孔炭進(jìn)行電化學(xué)性能測試:
[0028]為了測試所制得的的多孔炭性能，我們會將多孔炭:石墨:聚四氟乙烯的乳液按質(zhì)量比80: 15: 5的比例混合,加入無水乙醇充分研磨,均勻涂抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上。在100°C真空下干燥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(zhì)水溶液中進(jìn)行電化學(xué)性能的測試?？梢钥闯龀浞烹娗€呈現(xiàn)三角對稱分布并隨時(shí)間線性變化，可具有良好的電容特性。
[0029]圖2為實(shí)施例2中制得的產(chǎn)物材料的FESEM圖。
[0030]實(shí)施例3:
[0031](3)利用脲醛樹脂和檸檬酸鉀為原料在800°C，質(zhì)量比為2: I的條件下煅燒制備多孔炭。
[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后，取適量的樣品放入管式爐中在氮?dú)鈿夥罩幸?°C rniiT1升溫速率升溫至800°C，恒溫2h，降至室溫后，將所得樣品用質(zhì)量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗Ih攪拌反應(yīng)6h，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。
[0033](2)對實(shí)施例3制得的多孔炭進(jìn)行電化學(xué)性能測試:
[0034]為了測試所制得的的多孔炭性能，我們會將多孔炭:石墨:聚四氟乙烯的乳液按質(zhì)量比80: 15: 5的比例混合,加入無水乙醇充分研磨,均勻涂抹在IcmX Icm的壓制好的鎳制電極上。在100°C真空下干燥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(zhì)水溶液中進(jìn)行電化學(xué)性能的測試?？梢钥闯龀浞烹娗€呈現(xiàn)三角對稱分布并隨時(shí)間線性變化，可具有良好的電容特性。
[0035]圖3為實(shí)施例3中制得的產(chǎn)物材料的FESEM圖。
[0036]圖4為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質(zhì)量比1: 1，1: 2,2: I條件下制得的多孔炭在50mV s—1下的循環(huán)伏安曲線。
[0037]圖5為脲醛樹脂和檸檬酸鉀質(zhì)量比1: 1，1: 2，2:1條件下制得的多孔炭在IAg—1下的充放電圖，分別可達(dá)到250F g_1,190F g_1,150F g—1。
【權(quán)利要求】
1.一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽制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、檸檬酸鋅置于管式爐中，在惰性氣氛中于800-1200°C煅燒2h，冷卻至室溫后研磨，超聲分散Ih至均勻，攪拌6h水洗過濾至中性，置于烘箱中100°C干燥6h，取出研磨充分，即可制得用于超級電容器的多孔炭材料。
2.如權(quán)利要求1中所述利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽制備超級電容器用多孔炭的方法，其特征在于用脲醒樹脂與朽1檬酸鉀，朽1檬酸鈉，朽1檬酸鋅直接研磨炭化。
3.如權(quán)利要求1中所述一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽物制備超級電容器用多孔炭的方法，其特征在于所用惰性氣體用氮?dú)饣驓鍤饣虻?氬混合氣體。
4.如權(quán)利要求1中所述一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽物制備超級電容器用多孔炭的方法，其實(shí)驗(yàn)中管式爐的升溫速率為4°C /min。
5.如權(quán)利要求1中所述一種利用脲醛樹脂與檸檬酸鹽制備超級電容器用多孔炭的方法，其特征在于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(jìn)行對比，脲醛樹脂與檸檬酸鹽研磨混合物制得的多孔炭材料性能更優(yōu)異，且能量密度高，在循環(huán)五千次后能量密度變化很小，保持率達(dá)91.9%左右，性能穩(wěn)定，所制得的多孔炭材料用于制備超級電容器，表現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】陳祥迎, 宋紅, 張忠潔, 何媛媛 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)