阅读说明：本技术 一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法 (Preparation method of silicon carbide with high mass specific capacitance ) 是由 侯新梅 杨涛 刘世纯 王恩会 陈俊红 李斌 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法,其步骤包括：将研磨后的碳硅化铝湿法球磨处理,得碳硅化铝料浆；将所述碳硅化铝料浆干燥处理,得碳硅化铝粉末；向所述碳硅化铝粉末中加入浓度为20-40％的氢氟酸,在隔绝空气条件下水浴加热至30-70℃,搅拌反应36-48h得反应混合液；将所述反应混合液离心处理,对得到的沉淀洗涤、过滤,再将滤出的固相干燥处理,得到碳化硅粉末材料。本发明提供的一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法,反应所需温度低,制得的碳化硅电化学性能优良。(The invention provides a preparation method of silicon carbide with high mass specific capacitance, which comprises the following steps: performing wet ball milling treatment on the ground carbon aluminum silicide to obtain carbon aluminum silicide slurry; drying the carbon silicon aluminum slurry to obtain carbon silicon aluminum powder; adding 20-40% hydrofluoric acid into the carbon-silicon aluminum powder, heating the mixture to 30-70 ℃ in a water bath under the air isolation condition, and stirring the mixture for reacting for 36-48h to obtain a reaction mixed solution; and centrifuging the reaction mixed solution, washing and filtering the obtained precipitate, and drying the filtered solid phase to obtain the silicon carbide powder material. The preparation method of the silicon carbide with higher mass specific capacitance provided by the invention has the advantages that the reaction temperature is low, and the prepared silicon carbide has excellent electrochemical performance.)

一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别涉及一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种高效、绿色环保的化学电源，由于其具有容量大、功率高、寿命长、无污染等优越性能，广泛应用在航空航天、网络通讯、交通运输等领域。在超级电容器的研究中，电极材料的性能直接决定了超级电容器的储能特性，因此如何开发高比电容的电极材料具有重要的应用价值和理论意义。碳化硅材料作为一种半导体材料，具有宽带隙、低密度、耐腐蚀、化学稳定性好、热导率大等特点，可作为超级电容器的电极材料。

目前碳化硅材料的合成方法有物理气相沉积法、化学沉积法、碳热还原法、水热合成法、模板法等。但上述方法均存在两个固有的缺点：一是合成需要数千摄氏度的高温，导致合成过程危险，可控性差，能耗高，设备投资大；二是产物均匀性差，品质难以控制。因此，为了解决以上问题，当前亟需研发新的碳化硅合成方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种反应所需温度低、电化学性能优良的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法，包括如下步骤：

将研磨后的碳硅化铝湿法球磨处理，得碳硅化铝料浆；

将所述碳硅化铝料浆干燥处理，得碳硅化铝粉末；

向所述碳硅化铝粉末中加入浓度为20-40％的氢氟酸，在隔绝空气条件下水浴加热至30-70℃，搅拌反应36-48h得反应混合液；

将所述反应混合液离心处理，对得到的沉淀洗涤、过滤，再将滤出的固相干燥处理，得到碳化硅粉末材料。

进一步地，所述向碳硅化铝粉末中加入浓度为20-40％的氢氟酸的量为每0.5-1g碳硅化铝粉末加入10ml浓度为20-40％的氢氟酸。

进一步地，所述将研磨后的碳硅化铝湿法球磨处理时，球磨采用的介质为乙醇，球磨时间为8-10h。

进一步地，所述碳硅化铝粉末的粒径为400-600um。

进一步地，所述离心处理方法为：将反应混合液离心分离，向分离出的固体加入乙醇清洗得悬浮液，将所得悬浮液再离心分离，再向分离出的固体加入乙醇清洗得悬浮液，如此反复至所得悬浮液PH值为6-7。

进一步地，所述离心分离时离心机的转速为5000-9000rpm。

进一步地，所述对过滤分离出的固相干燥处理是在烘箱内以70-90℃的温度干燥8-12h。

进一步地，所述碳化硅的质量比电容为100-120/g。

本发明提供的一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法，采用湿法刻蚀法，使用浓度为20-40％的氢氟酸在30-70℃的较低温度下对碳硅化铝粉末刻蚀脱铝，即可制得结构稳定、电化学性能优异的六方晶型碳化硅材料。由于本发明提供的碳化硅制备方法反应温度要求较低，制备过程简单，所需设备要求低，且制备效率高，每单位质量的碳硅化铝产出碳化硅的制备率可达40％-70％，故其制取成本低、经济效益高。并且，本发明提供的碳化硅制备方法，制得的碳化硅材料性能很稳定，能够在酸性、碱性的电解液中使用，将制得的碳化硅材料用于修饰在玻碳电极、钛片电极等表面，制作超级电容器，能够获得较高的质量比电容，在三电极体系下，扫速为5-20mV/s时，测得其质量比电容可达100-120F/g。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅材料的XRD图；

图3为本发明实施例1提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅材料的SEM图；

图4为本发明实施例1提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅粉体修饰玻碳电极的CV曲线；

图5为本发明实施例2提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅材料的XRD图；

图6为本发明实施例2提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅材料的SEM图；

图7为本发明实施例2提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅粉体修饰玻碳电极的CV曲线；

图8为本发明实施例3提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅材料的XRD图；

图9为本发明实施例3提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅材料的SEM图；

图10为本发明实施例3提供的具有较高质量比电容的碳化硅制备方法制得的碳化硅粉体修饰玻碳电极的CV曲线。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法，包括如下步骤：

原料处理：将工业制得的碳硅化铝研磨成细粉，然后将研磨得到的碳硅化铝细粉进行湿法球磨处理，球磨介质采用乙醇，球磨时间8-10h，得到碳硅化铝料浆，最后将料浆进行干燥处理，得到粒径为400-600um的碳硅化铝粉末。

化学刻蚀法脱铝：取上述步骤制备得到的碳硅化铝粉末，向其中加入浓度为20-40％的氢氟酸，其中，向碳硅化铝粉末中加入浓度为20-40％的氢氟酸的量为每0.5-1g碳硅化铝粉末加入10ml浓度为20-40％的氢氟酸。然后将碳硅化铝粉末和氢氟酸的混合物密封放入恒温水浴加热装置中，加热至30-70℃，然后开启电磁搅拌器搅拌反应36-48h，得到反应混合液。

离心干燥：将反应混合液离心分离，向分离出的固体加入乙醇清洗得悬浮液，将所得悬浮液再离心分离，再向分离出的固体加入乙醇清洗得悬浮液，如此反复4-6次直至所得悬浮液PH值为6-7。其中离心分离时离心机的转速为5000-9000rpm。将分离出来的固相放入烘箱中以70-90℃的温度干燥8-12h，得到碳化硅粉末材料。

使用本方法制得的碳化硅粉末材料修饰玻碳电极，使用三电极法进行超级电容器检测，电解液为2mol/L的KCl溶液，分别在不同扫描速率下进行循环伏安测试，在不同电流密度下进行恒流充放电测试。循环伏安测试扫速范围为5mV/s-200mV/s，在扫速为5-20mV/s时，测得其质量比电容为100-120F/g。因此，本发明中提供的一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法，在30-70℃的较低温度条件条件下，制得的碳化硅粉体在纯碳化硅超级电容器应用领域具有较为优异的性能，它的质量比电容能够达到碳化硅复合材料所达的数量级。并且，本发明中提供的一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法，每单位质量的碳硅化铝产出碳化硅粉末的制备率可达40％-70％，制备产率高，从而可降低成本，提高经济效益。

下面通过具体实施例对本发明提供的一种具有较高质量比电容的碳化硅制备方法做具体说明。

实施例1：

(1)原料处理：将工业制得的碳硅化铝进行研磨，取0.5g细粉进行湿法球磨处理，球磨介质采用乙醇，球磨时间为8h，得到碳硅化铝料浆，最后将料浆进行干燥处理，得到粒径分布为500um的碳硅化铝细粉。

(2)刻蚀脱铝：向烧杯中加入1g碳硅化铝粉末及20ml浓度为20％的氢氟酸，将烧杯密封放入恒温水浴装置中，加热至30℃，开启电磁搅拌器搅拌48h，反应后得混合液。

(3)离心干燥：将上步反应后的混合液离心分离，向分离出的固体加入无水乙醇进行搅拌清洗得到悬浮液，将搅拌清洗得到的悬浮液离心分离，再向分离出的固体加入无水乙醇进行搅拌清洗得悬浮液，再将搅拌清洗得到的悬浮液再次离心分离，如此反复5次直至所得悬浮液的PH值为6。其中离心分离时离心机的转速设定为前3次以5000rpm转速离心分离，后2次以9000rpm的转速离心分离。将固相分离出来后，放入烘箱以80℃干燥8h，得到碳化硅粉末材料。本实施例制得的碳化硅材料的XRD图如图2所示，从图2可以看出，本实施例制得的是化学刻蚀后物相为6H-SiC、无残留的碳硅化铝。本实施例制得的碳化硅材料的SEM图如图3所示，从图3可以看出，本实施例球磨后刻蚀得到的碳化硅颗粒较小。

(4)性能测试：使用制备得的碳化硅修饰玻碳电极，以2mol/L的KCl溶液为电解液使用三电极法进行超级电容器检测，分别在5、10、20、50、100、200mV/s扫速下进行循环伏安测试，在不同电流密度下进行恒流充放电测试，分析计算其质量比电容。参见图4，通过本发明实施例提供的碳化硅粉体修饰玻碳电极的CV曲线，能够计算得到扫描速率为10mV/s的条件下，本实施例制得的碳化硅粉体的质量比电容能达到112.4F/g。

实施例2：

(1)原料处理：将工业制得的碳硅化铝进行研磨，取1.2g细粉进行湿法球磨处理，球磨介质采用乙醇，调整球磨时间9h，得到碳硅化铝料浆，最后将料浆进行干燥处理，得到粒径分布为500um的碳硅化铝细粉。

(2)刻蚀脱铝：向烧杯中加入1.5g碳硅化铝粉末及25ml浓度为30％的氢氟酸，将烧杯密封放入恒温水浴装置中，加热至50℃，开启电磁搅拌器搅拌36h。

(3)离心干燥：将上步反应后的混合液离心分离，向分离出的固体加入无水乙醇进行搅拌清洗得到悬浮液，将搅拌清洗得到的悬浮液离心分离，再向分离出的固体加入无水乙醇进行搅拌清洗得悬浮液，再将搅拌清洗得到的悬浮液再次离心分离，如此反复4次直至所得悬浮液的PH值为6.5。其中离心分离时离心机的转速设定为前2次以5000rpm转速离心分离，后2次以9000rpm的转速离心分离。将固相分离出来后，放入烘箱以80℃干燥8h，得到碳化硅粉末材料。本实施例制得的碳化硅材料的XRD图如图5所示，从图5可以看出，本实施例制得的是化学刻蚀后物相为6H-SiC、无残留的碳硅化铝。本实施例制得的碳化硅材料的SEM图如图6所示，从图6可以看出，本实施例球磨后刻蚀得到的碳化硅颗粒较小。

(4)性能测试：使用制备得的碳化硅修饰玻碳电极，以2mol/L的KCl溶液为电解液使用三电极法进行超级电容器检测，分别在5、10、20、50、100、200mV/s扫速下进行循环伏安测试，在不同电流密度下进行恒流充放电测试，分析计算其质量比电容。参见图7，通过本发明实施例提供的碳化硅粉体修饰玻碳电极的CV曲线，能够计算得到扫描速率为10mV/s的条件下，本实施例制得的碳化硅粉体的质量比电容能达到102.3F/g。

实施例3：

(1)原料处理：将工业制得的碳硅化铝进行研磨，取5g细粉进行湿法球磨处理，球磨介质采用乙醇，调整球磨时间10h，得到碳硅化铝料浆，最后将料浆进行干燥处理，得到粒径分布为400um的碳硅化铝细粉。

(2)刻蚀脱铝：向烧杯中加入3.0g碳硅化铝粉末及30ml浓度为40％的氢氟酸，将烧杯密封放入恒温水浴装置中，加热至70℃，开启电磁搅拌器搅拌48h。

(3)离心干燥：将上步反应后的混合液离心分离，向分离出的固体加入无水乙醇进行搅拌清洗得到悬浮液，将搅拌清洗得到的悬浮液离心分离，再向分离出的固体加入无水乙醇进行搅拌清洗得悬浮液，再将搅拌清洗得到的悬浮液再次离心分离，如此反复6次直至所得悬浮液的PH值为7。其中离心分离时离心机的转速设定为前3次以5000rpm转速离心分离，后6次以9000rpm的转速离心分离。将固相分离出来后，放入烘箱以80℃干燥10h，得到碳化硅粉末材料。本实施例制得的碳化硅材料的XRD图如图8所示，从图8可以看出，本实施例制得的是化学刻蚀后物相为6H-SiC、无残留的碳硅化铝。本实施例制得的碳化硅材料的SEM图如图9所示，从图9可以看出，本实施例球磨后刻蚀得到的碳化硅颗粒较小。

(4)性能测试：使用制备得的碳化硅修饰玻碳电极，以2mol/L的KCl溶液为电解液使用三电极法进行超级电容器检测，分别在5、10、20、50、100、200mV/s扫速下进行循环伏安测试，在不同电流密度下进行恒流充放电测试，分析计算其质量比电容。参见图10，通过本发明实施例提供的碳化硅粉体修饰玻碳电极的CV曲线，能够计算得到扫描速率为10mV/s的条件下，本实施例制得的碳化硅粉体的质量比电容能达到111.2F/g。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。