制造堿性活性碳的方法
【專利摘要】通過(guò)堿性活化過(guò)程對(duì)碳進(jìn)行活化的方法包括以下步驟：在活化相過(guò)程中引入水蒸氣，以控制高度反應(yīng)性副產(chǎn)物的形成。所述方法包括對(duì)含碳第一材料和含堿性第二材料的混合物進(jìn)行加熱，在第一閾值溫度下引入水蒸氣，并在第二閾值溫度停止引入水蒸氣。所述活性碳材料適用于碳基電極和用于高能量密度裝置。
【專利說(shuō)明】制造堿性活性碳的方法
[0001]本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§ 120，要求2011年9月28日提交的美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào)第13/247,211號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)為基礎(chǔ)并將其全文通過(guò)引用結(jié)合于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明一般地涉及通過(guò)堿性活化過(guò)程對(duì)碳進(jìn)行活化的方法。具體地，本發(fā)明涉及將水蒸氣受控注入反應(yīng)容器的方法，以限制活化過(guò)程中產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。
技術(shù)背景
[0003]在許多應(yīng)用中需要電能儲(chǔ)存，例如電動(dòng)車/混合動(dòng)力車、便攜式電子器件和能源系統(tǒng)。通常來(lái)說(shuō)，各種類型的電池已經(jīng)被用于大多數(shù)應(yīng)用中。但是，由于有限的充電循環(huán)能力、較慢的放電速率和結(jié)合到電池中的化學(xué)品的毒性，在許多新應(yīng)用中使用電池是復(fù)雜的。
[0004]近年來(lái)，電化學(xué)雙層電容器(EDLC，也被稱為超級(jí)電容器或超電容器)，已經(jīng)被用作電池的替代品，特別是在需要高功率、長(zhǎng)使用壽命和長(zhǎng)循環(huán)壽命的應(yīng)用中。不同于被中間物質(zhì)分隔開(kāi)的兩個(gè)單獨(dú)的板，此類電容器采用的是實(shí)際上兩層相同基材的“板”，所謂的“電雙層”。如名字所暗示的那樣，EDLC中的能量?jī)?chǔ)存是通過(guò)將電化學(xué)雙電層中的電荷分離并儲(chǔ)存在固體表面和電解質(zhì)之間的界面上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電雙層的電性質(zhì)導(dǎo)致電荷的有效分離，盡管是難以察覺(jué)的薄(納米規(guī)格)的層的物理分離。由于不需要電介質(zhì)松散層，實(shí)現(xiàn)了將“板”以大得多的表面積封裝到給定尺寸中，導(dǎo)致它們?cè)趯?shí)際尺寸包裝中非常高的電容量。
[0005]得益于活性碳(或活化碳)的非常大的表面積、良好的導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和低 本，其是EDLC中最廣泛使用的材料。堿性活化是用于形成活性碳的一種方法。其依賴于使得含碳前體化合物在高溫惰性氣氛中碳化，然后進(jìn)行化學(xué)活化，通常采用KOH或NaOH。堿性活化的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于會(huì)作為反應(yīng)副產(chǎn)物產(chǎn)生堿金屬，它會(huì)揮發(fā)并在工藝設(shè)備的較冷區(qū)域中冷凝。這對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)造成了明顯的安全危害。此外，由于堿金屬的揮發(fā)特性，導(dǎo)致工藝設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕。因此，在活化過(guò)程中產(chǎn)生的堿金屬必須在與周圍環(huán)境接觸之前進(jìn)行“處理”。之前，是通過(guò)在材料冷卻之后向設(shè)備引入水蒸氣和/或0)2來(lái)完成處理的，從而將堿金屬轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的氫氧化物和碳酸鹽，然后可以將它們安全地排出。該方法具有兩個(gè)缺點(diǎn):首先，處理需要額外的工藝循環(huán)時(shí)間(對(duì)于間歇法)或額外的設(shè)備，例如冷卻室(對(duì)于連續(xù)法)，并且增加了工藝成本；其次，由于直到工藝循環(huán)末端再對(duì)堿金屬進(jìn)行處理，安全問(wèn)題仍然是一個(gè)嚴(yán)重的考慮。如果設(shè)備中具有任意冷點(diǎn)，則堿金屬傾向于在這些點(diǎn)上沉積并積累。隨著沉積變厚，用于水蒸氣或CO2滲透該沉積的后活化所需的時(shí)間量變長(zhǎng)。這增加了在活化過(guò)程中可能發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，并且需要更長(zhǎng)的工藝循環(huán)時(shí)間。在本發(fā)明中，我們描述了一種新的堿性活化方法，其解決了上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)方面包括用于制造活性碳的一種新的堿性活化方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，在整個(gè)活化過(guò)程中，將包含較低濃度水蒸氣的氣體弓丨入到爐內(nèi)氣氛中，使得蒸汽相中的堿金屬在產(chǎn)生之后立即轉(zhuǎn)變成當(dāng)量氫氧化物。這使得在任意時(shí)間點(diǎn)的爐內(nèi)的堿金屬的絕對(duì)量最小化，并消除了在厚沉積中埋有堿金屬的可能性。本發(fā)明的一些實(shí)施方式增強(qiáng)了工藝安全性并消除了在反應(yīng)末端對(duì)于額外工藝循環(huán)時(shí)間的需求，從而降低了工藝成本。在一些實(shí)施方式中，沒(méi)有對(duì)所得到的活性碳的性能造成不利影響。
[0007]本發(fā)明的另一個(gè)方面包括對(duì)碳進(jìn)行活化的方法。一個(gè)實(shí)施方式包括對(duì)碳進(jìn)行活化的方法，該方法包括:提供包含碳的第一材料；提供包含堿性化合物的第二材料；形成包含所述第一材料和第二材料的混合物，其中堿性化合物與碳的比為大于或等于1:1 ;在反應(yīng)容器中將混合物加熱至約500-1200°C的反應(yīng)容器溫度；當(dāng)反應(yīng)容器溫度大于或等于第一閾值溫度時(shí)，將水蒸氣引入到反應(yīng)容器中；并且當(dāng)反應(yīng)容器溫度低于第二閾值溫度時(shí)，停止所述的將水蒸氣引入到反應(yīng)容器中。在一些實(shí)施方式中，第一閾值溫度不同于第二閾值溫度。在一些實(shí)施方式中，將反應(yīng)容器在最大反應(yīng)容器溫度保持約30分鐘至約6小時(shí)。
[0008]在一些實(shí)施方式中，第一閾值溫度包括約25°C，第二閾值溫度包括約25°C。在一些實(shí)施方式中，第一閾值溫度包括約200°C，第二閾值溫度包括約200°C。在一些實(shí)施方式中，第一閾值溫度包括約400°C，第二閾值溫度包括約400°C。在一些實(shí)施方式中，第一閾值溫度包括約500°C，第二閾值溫度包括約500°C。
[0009]在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)容器中的水蒸氣的濃度包括大于O體積％至約30體積％。在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)容器中的水蒸氣的濃度包括I體積％至約10體積％。在一些實(shí)施方式中，進(jìn)入反應(yīng)容器的水蒸氣的流速包括約IxlO-3L/分鐘每L反應(yīng)容器體積至約1.5xlO^L/分鐘每L反應(yīng)容器體積。
[0010]在一些實(shí)施方式中，堿性化合物包括1(0!1、1(20)3、恥0!1、似20)3、似20、0&(0!1)2、腿0)3、NaHCO3^KCl、NaCl、KF, NaF或MgCl2，或其組合。在一些實(shí)施方式中，堿性化合物與碳材料的比包括1.8:1或更大。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是實(shí)施例中的活性碳的密度泛函理論(DFT)孔徑分布。
[0012]詳細(xì)描述
[0013]參考以下詳細(xì)描述、附圖、實(shí)施例、權(quán)利要求以及之前和以下的描述，可以更容易地理解本發(fā)明。但是，在揭示和描述本發(fā)明的組合物、制品、裝置和方法之前，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所揭示的具體組合物、制品、裝置和方法，除非另有說(shuō)明，因?yàn)樗鼈儺?dāng)然是可以改變的。還應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述特定的方面而不是起限制作用。
[0014]提供以下對(duì)本發(fā)明的描述，作為按其目前已知的實(shí)施方式來(lái)揭示本發(fā)明的內(nèi)容。因此，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)并理解，可以對(duì)本文所述的本發(fā)明的各方面作出許多變化，同時(shí)仍能獲得本發(fā)明的有益的結(jié)果。還顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明所需的有益結(jié)果中的一部分可以通過(guò)選擇本發(fā)明的一些特征而不利用其他的特征來(lái)獲得。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，對(duì)本發(fā)明的許多更改和修改都是可能的，在某些情況下甚至是希望的，并且是本發(fā)明的一部分。因此，提供的以下描述作為對(duì)本發(fā)明原理的說(shuō)明不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
[0015]揭示了材料、化合物、組合物以及組分，它們可用于所揭示的方法和組合物，可結(jié)合所揭示的方法和組合物使用，可用于制備所揭示的組合物，或者是所揭示的方法和組合物的實(shí)施方式。在本文中公開(kāi)了這些和其他的材料，應(yīng)理解當(dāng)公開(kāi)了這些材料的組合、子集、相互作用、組等等而未明確地具體揭示這些材料的每個(gè)不同的單獨(dú)和共同組合以及排列時(shí)，在本文中具體設(shè)想和描述了它們中的每一種情況。因此，如果公開(kāi)了一類取代物A、B、和C并且還公開(kāi)了一類取代物D、E、和F和組合的實(shí)施方式A-D的實(shí)例，則可單獨(dú)地和共同地設(shè)想每一個(gè)。因此，在本例中，具體設(shè)想了以下組合A-E、A-F、B-D、B-E、B_F、C_D、C-E和C-F中的每一個(gè)，應(yīng)認(rèn)為以上這些都是從A、B和C ;D、E和F ;以及實(shí)例組合A-D的內(nèi)容揭示的。同樣，也具體設(shè)想并揭示了上述的任何子集或這些子集的組合。因此，例如，具體設(shè)想了 A-E、B-F和C-E的亞組，并應(yīng)認(rèn)為它們是從A、B和C ;D、E和F ;以及實(shí)例組合A-D的內(nèi)容揭示的。這種概念應(yīng)用于本內(nèi)容的所有方面，包括但不限于組合物的任何組分以及所揭示組合物的制備方法和使用方法中的各步驟。因此，如果存在可進(jìn)行的多個(gè)附加步驟，應(yīng)當(dāng)理解可通過(guò)所公開(kāi)方法的任一特定實(shí)施方式或?qū)嵤┓绞降慕M合來(lái)進(jìn)行這些附加步驟中的每一個(gè)，而且可具體設(shè)想每一個(gè)這樣的組合且應(yīng)當(dāng)認(rèn)為它是公開(kāi)的。
[0016]在本說(shuō)明書和下面的權(quán)利要求書中提到許多術(shù)語(yǔ)，這些術(shù)語(yǔ)具有以下含義:
[0017]“包括”、“包含”或類似術(shù)語(yǔ)意為包括但不限于，即內(nèi)含而非排它。
[0018]術(shù)語(yǔ)“約”修飾了所有范圍內(nèi)的術(shù)語(yǔ)，除非另有說(shuō)明。例如，約1、2或3相當(dāng)于約1、約2或約3，并且還包括約1-3，約1-2以及約2-3。組合物、組分、成分、添加劑和類似方面的公開(kāi)的具體和優(yōu)選數(shù)值及其范圍僅用于說(shuō)明，它們不排除其它定義數(shù)值或定義范圍內(nèi)的其它數(shù)值。本發(fā)明的組合物和方法包括具有本文所述的任何數(shù)值或數(shù)值的任何組合、具體數(shù)值、更具體的數(shù)值和優(yōu)選數(shù)值的組合物和方法。
[0019]除非另外說(shuō)明，否則，本文所用的不定冠詞“一個(gè)”或“一種”及其相應(yīng)的定冠詞“該”表示至少一(個(gè)/種)，或者一(個(gè)/種)或多(個(gè)/種)。
[0020]本文所用的碳 包括無(wú)定形碳，但是還可包括石墨碳和/或非石墨碳以及可任選的其他形式的碳。本發(fā)明的碳可來(lái)自任意來(lái)源，例如，堅(jiān)果殼、木或木粉、生物質(zhì)、合成樹(shù)脂例如聚乙烯醇和聚丙烯腈、煤和褐煤。
[0021 ] 本文所用的堿性化合物包括能夠?qū)μ歼M(jìn)行活化的堿性化合物和堿土化合物。堿性化合物的例子包括硅酸鹽、氫氧化物、氧化物、氯化物、碳酸鹽和磷酸鹽。堿性化合物的具體例子包括 Na20、K20、KOH、NaOH、Ca (OH) 2、Ba (OH) 2、CsOH、Sr (OH) 2、Mg (OH) 2、LiOH、RbOH、Li2CO3'Na2CO3、K2CO3、Rb2CO3、Cs2CO3、BeCO3、CaCO3、MgCO3、SrCO3 或者 BaCO3。優(yōu)選地，堿性化合物包括 KOH、K2CO3> NaOH、Na2C03、Na2O, Ca (OH)2, KHCO3> NaHCO3> KCl、NaCl、KF、NaF 或 MgCl2,或其組合。
[0022]可以以大于或等于1:1的任意合適的比例結(jié)合堿性化合物與碳。以重量百分?jǐn)?shù)表示，碳與堿性化合物的比例可以約為1:1至1:10。非限制性的示例性比例包括1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8和1:9。優(yōu)選地，碳與堿性化合物的比例為約1:1至約1:3。
[0023]本文所用的第一閾值溫度包括達(dá)到工藝熱循環(huán)的溫度?；蛘?，第二閾值溫度包括到達(dá)反應(yīng)過(guò)程的冷卻循環(huán)的溫度。在一些實(shí)施方式中，過(guò)程涉及向反應(yīng)容器加入混合物，密封容器，然后將反應(yīng)容器加熱至所需的溫度從而對(duì)碳進(jìn)行活化。在對(duì)容器進(jìn)行加熱的升溫相過(guò)程中，反應(yīng)容器會(huì)達(dá)到第一閾值溫度，其中，將水蒸氣引入到反應(yīng)容器中。繼續(xù)引入水蒸氣直至達(dá)到第二閾值溫度，并且可包括持續(xù)引入或間隙引入，可包括濃度的變化，可包括使用閉合回路系統(tǒng)或開(kāi)放回路系統(tǒng)，和/或可包括使用來(lái)自反應(yīng)容器的參數(shù)的反饋。在足以使得碳活化的溫度一段時(shí)間之后，反應(yīng)容器冷卻或自然冷卻。在該降溫相的過(guò)程中，反應(yīng)容器會(huì)達(dá)到第二閾值溫度，其中，如上所述，停止引入水蒸氣。反應(yīng)器的冷卻可包括使用額外的冷卻組件，例如液體冷卻系統(tǒng)、散熱器、風(fēng)扇或者強(qiáng)制通風(fēng)。
[0024]在一些實(shí)施方式中，第一閾值溫度包括:室溫、25 0C >50 0C >75 V、100 V、150 V、200 0C>250 0C>300 °C>350 °C>400 °C>450 °C>500 °C>550 °C>600 °C>650 °C>700 °C>750 V,800 0C >850 0C >900 °C >950 °C > 1000 O、1100 O、1200 O、1300 O 或者 1400 O。在一些實(shí)施方式中，第二閾值溫度包括:室溫、25 0C >50 0C >75 V、100 V、150 °C >200 °C >250 °C >300 V、350 0C >400 0C 450 0C > 500 0C > 550 0C >600 0C >650 0C >700 0C >750 0C >800 0C >850 0C >900 0C >950 0C >10000C UlOO0C U200°C> 1300°C或者1400°C。第一和第二閾值溫度是相互獨(dú)立的，并且不必是相等的。
[0025]可以將反應(yīng)容器維持在固定的溫度，以實(shí)現(xiàn)碳的活化。所述固定的溫度可以是約500-1400°C。在一些實(shí)施方式中，所述固定的溫度包括約500°C、550°C、60(rC、65(rC、700 °C > 750 °C > 800 °C、850 °C、900 °C >950 °C > 1000°C > 1100°C > 1200 V、1300 V 或者 1400 V?？梢詫⒎磻?yīng)容器在該固定的溫度保持足以使得至少一部分的碳變得活化的時(shí)間。在一些實(shí)施方式中，將反應(yīng)容器在固定的溫度保持0.5、1、2、3、4、5、6、7或者8個(gè)小時(shí)。
[0026]本文所用的水蒸氣包括氣相中的水，無(wú)論是否由蒸發(fā)、沸騰或者升華產(chǎn)生的，并且還可包括冷凝到空氣中的微小顆粒上的水。反應(yīng)容器中的水蒸氣濃度可包括大于0%至約30%。在一些實(shí)施方式中，水蒸氣濃度約為0.5體積％、0.75體積％、I體積％、1.5體積％、2體積％、3體積％、4體積％、5體積％、6體積％、7體積％、8體積％、9體積％、10體積％、11體積％、12體積％、13體積％、14體積％、15體積％、16體積％、17體積％、18體積％、19體積％、20體積％、21體積％、22體積％、23體積％、24體積％、25體積％、26體積％、27體積％、28體積％、29體積％、30體積％。如上文所述，將水蒸氣引入到反應(yīng)容器中可包括連續(xù)法或間歇法，并且還可包括濃度的變化。引水系統(tǒng)可包括開(kāi)放回路系統(tǒng)或閉合回路系統(tǒng)，并且可包括使用來(lái)自反應(yīng)容器的參數(shù) 的反饋。在一些實(shí)施方式中，進(jìn)入反應(yīng)容器的水蒸氣的流速包括約IxKT3L/分鐘每升 反應(yīng)容器體積至約1.SxKT1L/分鐘每升反應(yīng)容器體積。在一些實(shí)施方式中，進(jìn)入反應(yīng)容器的水蒸氣的流速包括約為1χ10-3、2χ10-3、3χ10-3、4χ10-3、5χ10-3、6χ10-3、7χ10'8χ10-3、9χ10-3、1χ10-2、2χ10-2、3χ10-2、4χ10-2、5χ10-2、6χ10-2、7χ10-2、8χ10-2、9χ10-2 或者IxKT1,單位為L(zhǎng)/分鐘每升反應(yīng)容器體積。
[0027]除了水蒸氣之外，反應(yīng)容器中的氣氛可包括惰性氣體，例如N2或八!.、CO2和/或會(huì)與堿性化合物反應(yīng)的其他化合物，例如醇類。
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，可以通過(guò)如下方法合成活性碳:在高溫(通常數(shù)百攝氏度)下，使得含碳前體在含水蒸氣的氣氛(例如N2或Ar)中碳化，之后通過(guò)采用例如Κ0Η、K2C03>Na0H, Na2CO3^Na2O, Ca (OH) 2、KHCO3、NaHCO3、KCl、NaCl、KF、NaF 或者 MgCl2 來(lái)進(jìn)行化學(xué)活化?；瘜W(xué)活化有利地產(chǎn)生了較大微孔體積、均勻的孔徑分布和較高的容量，這能夠?qū)崿F(xiàn)能量?jī)?chǔ)存的增加。
[0029]相比于現(xiàn)有技術(shù)的方法，本發(fā)明所述的方法的實(shí)施方式具有以下優(yōu)點(diǎn):1)在活化循環(huán)過(guò)程中，在加工氣氛中存在水蒸氣，從而使得蒸汽相中的任何堿金屬在產(chǎn)生之后立即轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的氫氧化物，使得在任意時(shí)間點(diǎn)的爐內(nèi)的堿金屬的絕對(duì)量最小化，并增強(qiáng)了工藝安全性；以及2)消除了現(xiàn)有技術(shù)中在末端對(duì)于額外的工藝循環(huán)時(shí)間的需求。此外，沒(méi)有對(duì)所得到的活性碳的性能造成不利影響。實(shí)施例
[0030]預(yù)測(cè)實(shí)施例1
[0031]采用KOH作為活化劑的常規(guī)連續(xù)模式或間歇模塑的堿性活化過(guò)程可如下所述:
[0032]1.通過(guò)使用如下兩種方法中的一種來(lái)混合碳粉末和Κ0Η，來(lái)制備用于活化的進(jìn)料批料。A)浸潰法:將碳粉末與KOH溶液混合，然后對(duì)混合物進(jìn)行干燥。B)物理混合法:將碳粉末與KOH固體(其可以是粉末、薄片、球等的形式)混合。
[0033]2.在反應(yīng)容器中，在惰性氣氛(例如，N2、Ar、He等)中，將碳/KOH混合物加熱至所需的活化溫度，其通常為600-1000°C。在暴露于活化溫度所需的時(shí)間量之后，使得材料冷卻。
[0034]3.一旦反應(yīng)容器低于特定的溫度(例如300°C)，將水蒸氣或CO2或者它們的組合輸送到設(shè)備中，與作為活化過(guò)程的副產(chǎn)物的金屬鉀進(jìn)行反應(yīng)。
[0035]預(yù)測(cè)實(shí)施例2
[0036]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式可如下所述:
[0037]1.如預(yù)測(cè)實(shí)施例1中制備KOH/碳混合物。
[0038]2.加熱碳/KOH混合物。在第一閾值溫度下，在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中或者部分熱循環(huán)過(guò)程中，將水蒸 氣引入到設(shè)備中。將反應(yīng)容器升溫至所需的溫度，持續(xù)所需的時(shí)間量，并最終冷卻。在冷卻階段期間，將反應(yīng)容器冷卻至第二閾值溫度。低于第二閾值溫度，停止水蒸氣引入反應(yīng)容器中。在一些實(shí)施方式中，將水蒸氣引入設(shè)備中與爐溫高于某一溫度的熱循環(huán)的部分有關(guān)，所述某一溫度是產(chǎn)生堿金屬和/或?qū)τ趬A金屬存在顯著量的蒸汽壓的溫度。例如，在一些實(shí)施方式中，當(dāng)KOH用作活化劑時(shí)，臨界溫度約為400°C。
[0039]實(shí)施例1
[0040]碳粉末與KOH粉末(西格瑪-艾爾德里奇公司(Sigma-Aldrich)Cat.N0.06103)以1:2.2 (w/w)的比例混合，所述碳粉末源自在N2下，在800°C下對(duì)小麥粉進(jìn)行碳化，然后將所得碳化物研磨至d50約為5微米。將碳/KOH混合物裝入SiC坩鍋中，并裝載到箱式爐中。將爐溫以150°C /小時(shí)升溫至750°C，在750°C保持2小時(shí)，然后自然冷卻至室溫。在整個(gè)熱循環(huán)中，用N2吹掃爐。在升溫過(guò)程中，當(dāng)爐溫達(dá)到400°C時(shí)，通過(guò)在室溫下將N2鼓泡通過(guò)去離子(DI)水，將水蒸氣引入爐中。估計(jì)爐氣氛中的水蒸氣濃度為1.5%。之后當(dāng)在冷卻過(guò)程中爐溫到達(dá)300°C時(shí)停止水引入，并且用純N2吹掃爐，直至當(dāng)爐卸載時(shí)的爐溫達(dá)到70°C或更低。當(dāng)反應(yīng)容器接觸環(huán)境空氣時(shí)，沒(méi)有觀察到與金屬鉀相關(guān)的反應(yīng)跡象。用稀HCl和DI水洗滌所得材料，直至pH為中性，并濾出活性碳。最后，對(duì)活性碳進(jìn)行過(guò)濾，并在675°C的1%H2/N2中熱處理2小時(shí)。
[0041]實(shí)施例2
[0042]與實(shí)施例1相同，不同之處在于爐氣氛中的水蒸氣濃度為7.1%。當(dāng)材料接觸環(huán)境空氣時(shí)，沒(méi)有觀察到與金屬鉀相關(guān)的反應(yīng)跡象。
[0043]實(shí)施例3
[0044]與實(shí)施例1相同，不同之處在于爐氣氛中的水蒸氣濃度為33%。當(dāng)材料接觸環(huán)境空氣時(shí)，沒(méi)有觀察到與金屬鉀相關(guān)的反應(yīng)跡象。
[0045]實(shí)施例4 (對(duì)比例)[0046]過(guò)程運(yùn)行與實(shí)施例1相似。但是，作為從升溫過(guò)程中的400°C至冷卻過(guò)程中的300°C引入水蒸氣的替代，僅僅用純N2吹掃爐，直至在冷卻過(guò)程中爐溫到達(dá)100°C。在反應(yīng)容器中觀察到反應(yīng)后的鉀金屬的沉積。為了猝冷鉀金屬，當(dāng)爐溫在100°C維持2小時(shí)的過(guò)程中，將N2鼓泡通過(guò)熱的去離子水，以將水蒸氣攜帶入反應(yīng)容器中。然后對(duì)爐進(jìn)行冷卻，同時(shí)使得N2鼓泡通過(guò)熱的去離子水，持續(xù)額外的I小時(shí)。最后，當(dāng)爐溫達(dá)到小于或等于70°C時(shí)，卸載爐。以實(shí)施例1的相同方式對(duì)活性碳進(jìn)行洗滌和熱處理。
[0047]在使用對(duì)比方法的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，在爐中始終觀察到固體沉積物。甚至在3小時(shí)的猝冷相之后，觀察到在與周圍環(huán)境接觸之后，固體沉積物會(huì)自燃，導(dǎo)致火焰甚至是爆炸。在大規(guī)模生產(chǎn)中，預(yù)期危害會(huì)明顯更為嚴(yán)重。
[0048]在紐扣電池中評(píng)估上述實(shí)施例中得到的活性碳的EDLC性能。紐扣電池通過(guò)以85:5:10的重量比摻混活性碳、炭黑(黑珍珠2000 (Black Pearl2000)，作為導(dǎo)電添加劑)和PTFE (作為粘結(jié)劑)，并將混合物輥入電極來(lái)制造。1.5M的四氟硼酸四乙銨鹽的乙腈溶液用作電解質(zhì)。這些紐扣電池的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，在活化過(guò)程中存在較低濃度的水蒸氣的情況下制造的活性碳(實(shí)施例1和2)具有與對(duì)比例I相似的EDLC性能，而以該水平引入水蒸氣有效地消除了與金屬鉀相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。在較高的水蒸氣濃度下(實(shí)施例3)，性能略低。
[0049]表1:紐扣電池中測(cè)得的活性碳的EDLC性能
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)碳進(jìn)行活化的方法，該方法包括以下步驟: a.提供包含碳的第一材料； b.提供包含堿性化合物的第二材料； c.形成包含所述第一材料和第二材料的混合物，其中堿性化合物與碳的比為大于或等于 1:1 ; d.在反應(yīng)容器中將混合物加熱至約500-1200°C的反應(yīng)容器溫度； e.當(dāng)反應(yīng)容器溫度大于或等于第一閾值溫度時(shí)，將水蒸氣引入到反應(yīng)容器中；以及 f.當(dāng)反應(yīng)容器溫度低于第二閾值溫度時(shí)，停止所述的將水蒸氣引入到反應(yīng)容器中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一閾值溫度包括約25°C，所述第二閾值溫度包括約25 °C。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一閾值溫度包括約200°C，所述第二閾值溫度包括約200°C。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一閾值溫度包括約400°C，所述第二閾值溫度包括400°C。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一閾值溫度包括約500°C，所述第二閾值溫度包括約500°C。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，反應(yīng)容器中的水蒸氣的濃度包括大于O體積％至約30體積％。`
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，反應(yīng)容器中的水蒸氣的濃度包括約I體積％至約10體積％。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)入反應(yīng)容器的水蒸氣的流速包括約IxlO-3L/分鐘每升反應(yīng)容器體積至約1.SxlO-1L/分鐘每升反應(yīng)容器體積。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述堿性化合物包括Na20、NaOH,Κ0Η、Ca (OH)2, K2CO3> Na2C03> KHCO3> NaHC03、KCl、NaCl、KF、NaF 或其組合。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，堿性化合物與碳材料的比包括1.8:1或更大。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述反應(yīng)容器在最大反應(yīng)容器溫度保持約30分鐘至約6小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C01B31/12GK103827028SQ201280047362
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月28日
【發(fā)明者】K·P·加德卡里, 劉佳, K·P·雷迪 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司