一种以废弃超滤膜为原料制备碳材料的方法及碳材料在制备超级电容器中的应用

1.本发明涉及碳材料制备技术领域，具体涉及一种以废弃超滤膜为原料制备碳材料的方法及碳材料在制备超级电容器中的应用。

背景技术：

2.双电层电容是超级电容器的一种，其介于电池和电容之间，是一种新型储能装置，其极大的容量也可以作为电池使用。双电层电容相比采用电化学原理的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，所以其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿环保等特点。
3.聚醚砜滤膜是由聚醚砜超细纤维热熔粘连在一起制成的一种膜料，属于深层过滤的pes膜；目前在工业上已得到了广泛的使用。由于在工业上的规模化使用，导致了大量废弃的聚醚砜滤膜的产生。然而，如何处理废弃聚醚砜滤膜成为一个急需解决的技术问题。
4.本发明发明人提出了以废弃聚醚砜滤膜为原料，在高温下将其进行催化反应用于制备碳材料的解决方案。但是发明人在研究中发现，采用常规的高温催化反应制备得到的碳材料，将其作为负极材料用于超级电容器，其比容量以及使用寿命并不高，有待进一步提高。

技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的至少之一的技术问题，本发明首先提供了以废弃超滤膜为原料制备碳材料的方法及碳材料。研究表明，以废弃聚醚砜滤膜为原料，采用本发明所述方法制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，相比于采用常规的高温催化反应制备得的碳材料，可以显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。
6.本发明所要解决的上述技术问题，通过以下技术方案予以实现：
7.一种以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，包含如下步骤：
8.(1)取废弃滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫化促进剂，搅拌均匀后得混合料液；
9.(2)将混合料液在氮气气氛中于200～250℃下反应10～20h，反应结束后过滤，取固体；
10.(3)将固体在氮气气氛中于700～900℃反应1～2h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料。
11.本发明提供了一种全新的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法；发明人经大量的实验表明，经该方法制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，相比于采用常规的高温催化反应制备得的碳材料，可以显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。
12.优选地，所述的废弃滤膜为废弃聚醚砜滤膜。
13.优选地，步骤(1)中所述的金属化合物选自醋酸钴或醋酸镍。
14.发明人在研究中发现，金属化合物的选择十分关键，选择不同金属化合物制备得到的碳材料，其对于超级电容器的比容量以及使用寿命的提高程度是不同的。发明人经大量的实验研究表明，当金属化合物选用醋酸钴或醋酸镍时制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，相比于采用常规的高温催化反应制备得的碳材料，可以显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。然而，采用其它金属化合物制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，并不能显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。
15.优选地，步骤(1)中所述的金属化合物由醋酸钴和醋酸镍组成；其中，醋酸钴和醋酸镍的重量比为2～4:1；
16.最优选地，醋酸钴和醋酸镍的重量比为3:1。
17.发明人在进一步研究中惊奇的发现，采用本发明所述的方法，当金属化合物由醋酸钴和醋酸镍组成时制备得到的碳材料，可以协同提高超级电容器的比容量以及使用寿命；其对于超级电容器的比容量以及使用寿命的提高程度要大幅高于金属化合物选用醋酸钴或醋酸镍制备得到的碳材料。
18.优选地，步骤(1)含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为10～15％。
19.最优选地，金属化合物的质量浓度为12％。
20.优选地，步骤(1)中，废弃滤膜、硫化促进剂与含有金属化合物的溶液的用量比为20～40g：1～3g：100～200ml。
21.最优选地，步骤(1)中，废弃滤膜、硫化促进剂与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：150ml。
22.优选地，步骤(1)中所述的硫化促进剂为硫脲。
23.优选地，步骤(2)中，将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h。
24.优选地，步骤(3)中，将固体混合物在氮气气氛中于800℃反应1.5h。
25.本发明还提供了一种上述方法制备得到的碳材料在制备电容器中的应用。
26.优选地，所述的电容器为超级电容器。
27.有益效果：本发明首先提供了一种全新的以废弃超滤膜为原料制备碳材料的方法及碳材料。研究表明，以废弃聚醚砜滤膜为原料，采用本发明所述方法制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，相比于采用常规的高温催化反应制备得的碳材料，可以显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。
具体实施方式
28.以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
29.实施例1
30.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
31.(2)将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h，反应结束后过滤，取固体；
32.(3)将固体在氮气气氛中于800℃反应1.5h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
33.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：
150ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为12％；所述的金属化合物为醋酸钴。
34.实施例2
35.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
36.(2)将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h，反应结束后过滤，取固体；
37.(3)将固体在氮气气氛中于800℃反应1.5h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
38.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：150ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为12％；所述的金属化合物为醋酸镍。
39.实施例3
40.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
41.(2)将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h，反应结束后过滤，取固体；
42.(3)将固体在氮气气氛中于800℃反应1.5h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
43.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：150ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为12％；所述的金属化合物由重量比为3:1的醋酸钴和醋酸镍组成。
44.实施例4
45.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
46.(2)将混合料液在氮气气氛中于250℃下反应10h，反应结束后过滤，取固体；
47.(3)将固体在氮气气氛中于900℃反应1h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
48.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为20g：1g：100ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为10％；所述的金属化合物由重量比为4:1的醋酸钴和醋酸镍组成。
49.实施例5
50.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
51.(2)将混合料液在氮气气氛中于200℃下反应20h，反应结束后过滤，取固体；
52.(3)将固体在氮气气氛中于700℃反应2h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
53.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：3g：200ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为15％；所述的金属化合物由重量比为2:1的醋酸钴和醋酸镍组成。
54.实施例6
55.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
56.(2)将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h，反应结束后过滤，取固体；
57.(3)将固体在氮气气氛中于800℃反应1.5h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
58.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：150ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为12％；所述的金属化合物由重量比为1:3的醋酸钴和醋酸镍组成。
59.实施例7
60.(1)取废弃聚醚砜滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫脲，搅拌均匀后得混合料液；
61.(2)将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h，反应结束后过滤，取固体；
62.(3)将固体在氮气气氛中于800℃反应1.5h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
63.步骤(1)中废弃聚醚砜滤膜、硫脲与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：150ml；含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为12％；所述的金属化合物由重量比为1:1的醋酸钴和醋酸镍组成。
64.对比例1
65.取废弃聚醚砜滤膜剪碎，采用钴-镍金属催化剂，在氮气气氛中于800℃反应1.5h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料；
66.分别取实施例1～7以及对比例1制备得到的碳材料与炭黑以及粘结剂pvdf按照质量比90:5:5混合均匀作为负极材料，制成负极片。取石墨烯与炭黑以及粘结剂pvdf按照质量比90:5:5混合均匀作为正极材料，制成正极片。采用该正极片和负极片组成超级电容器，测试其比容量以及循环50000次后的比容量保持率(使用寿命)；测试结果见表1。
67.表1.
[0068] 比容量(f/g)比容量保持率(％)实施例1制备得到的碳材料151f/g84％实施例2制备得到的碳材料133f/g76％实施例3制备得到的碳材料228f/g97％实施例4制备得到的碳材料204f/g94％实施例5制备得到的碳材料187f/g90％实施例6制备得到的碳材料139f/g80％实施例7制备得到的碳材料147f/g82％对比例1制备得到的碳材料98f/g62％
[0069]
从表1实验数据可以看出，以实施例1和2制备得到的碳材料作为负极材料应用于超级电容器中，其比电容以及比容量保持率要显著高于对比例1制备得到的碳材料；这说明：以废弃聚醚砜滤膜为原料，采用本发明所述方法制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，相比于采用常规的高温催化反应制备得的碳材料，可以显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。
[0070]
从表1实验数据可以看出，以实施例3～5制备得到的碳材料作为负极材料应用于超级电容器中，其比电容以及比容量保持率要远远高于对比例1制备得到的碳材料以及大幅高于实施例1和2制备得到的碳材料。这说明：本发明方法中，金属化合物的选择十分关键，选择不同金属化合物制备得到的碳材料，其对于超级电容器的比容量以及使用寿命的提高程度是不同的；当金属化合物由醋酸钴和醋酸镍组成时制备得到的碳材料，其对于超级电容器的比容量以及使用寿命的提高程度要大幅高于金属化合物选用醋酸钴或醋酸镍制备得到的碳材料；金属化合物同时选用醋酸钴和醋酸镍制备得到的碳材料，可以协同提高超级电容器的比容量以及使用寿命。
[0071]
从表1实验数据可以看出，以实施例6和7制备得到的碳材料作为负极材料应用于超级电容器中，其比电容以及比容量保持率都不高于实施例1或2制备得到的碳材料；远远小于实施例3～5制备得到的碳材料；这说明：醋酸钴和醋酸镍的用量比对于制备得到的碳材料能否起到协同提高超级电容器的比容量以及使用寿命起着决定性作用。只有当醋酸钴和醋酸镍的重量比为2～4:1时，制备得到的碳材料，才可以协同提高超级电容器的比容量以及使用寿命；醋酸钴和醋酸镍在其它重量比下制备得到的碳材料，并不能协同提高超级电容器的比容量以及使用寿命。

技术特征：

1.一种以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)取废弃滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫化促进剂，搅拌均匀后得混合料液；(2)将混合料液在氮气气氛中于200～250℃下反应10～20h，反应结束后过滤，取固体；(3)将固体在氮气气氛中于700～900℃反应1～2h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料。2.根据权利要求1所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的金属化合物选自醋酸钴或醋酸镍。3.根据权利要求2所述的以废弃超滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的金属化合物由醋酸钴和醋酸镍组成；其中，醋酸钴和醋酸镍的重量比为2～4:1；最优选地，醋酸钴和醋酸镍的重量比为3:1。4.根据权利要求1所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)含有金属化合物的溶液中，金属化合物的质量浓度为10～15％；最优选地，金属化合物的质量浓度为12％。5.根据权利要求1所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，废弃滤膜、硫化促进剂与含有金属化合物的溶液的用量比为20～40g：1～3g：100～200ml；最优选地，步骤(1)中，废弃滤膜、硫化促进剂与含有金属化合物的溶液的用量比为30g：2g：150ml。6.根据权利要求1所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的硫化促进剂为硫脲。7.根据权利要求1所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，将混合料液在氮气气氛中于220℃下反应15h。8.根据权利要求1所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(3)中，将固体混合物在氮气气氛中于800℃反应1.5h。9.权利要求1～8任一项所述方法制备得到的碳材料在制备电容器中的应用。10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述的电容器为超级电容器。

技术总结

本发明涉及碳材料制备技术领域，具体公开了一种以废弃超滤膜为原料制备碳材料的方法及碳材料在制备超级电容器中的应用。所述的以废弃滤膜为原料制备碳材料的方法，其包含如下步骤：(1)取废弃滤膜剪碎，然后加入到含有金属化合物的溶液中，接着加入硫化促进剂，搅拌均匀后得混合料液；(2)将混合料液在氮气气氛中于200～250℃下反应10～20h，反应结束后过滤，取固体；(3)将固体在氮气气氛中于700～900℃反应1～2h，取反应后的固体混合物即得所述的碳材料。采用本发明所述方法制备得到的碳材料，应用于超级电容器中，相比于采用常规的高温催化反应制备得的碳材料，可以显著提高超级电容器的比容量以及使用寿命。电容器的比容量以及使用寿命。