一種多孔碳材料的制備方法及其用圖
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多孔碳材料的制備方法及其用途，按照下述步驟進(jìn)行：將乙酸鉀放于鎳坩堝，置于高溫石英管式爐中，在惰性氣流保護(hù)下，進(jìn)行高溫?zé)峤猓?jīng)過(guò)熱解后得到產(chǎn)物，用酸溶液洗去產(chǎn)物中的雜質(zhì)，再將產(chǎn)物浸沒(méi)于酸溶液中磁力攪拌，然后用大量去離子水將產(chǎn)物洗滌至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。制備的材料孔性結(jié)構(gòu)良好，比表面積高、孔體積大，電化學(xué)性能良好，并且在其他方面也能得到應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種多孔碳材料的制備方法及其用途
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于超級(jí)電容器電極材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種多孔碳材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，快速發(fā)展的全球經(jīng)濟(jì)引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，并造成了化石燃料的過(guò)度消耗，這對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了無(wú)比的威脅。因此，開(kāi)發(fā)可持續(xù)清潔能源以及有效的能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存技術(shù)是本世紀(jì)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。超級(jí)電容器(又稱電化學(xué)電容器)作為一種獨(dú)特的電能存儲(chǔ)設(shè)備，它是連接傳統(tǒng)介質(zhì)電容器和電池之間的重要橋梁，因此近年來(lái)受到世界范圍內(nèi)越來(lái)越多的重視，超級(jí)電容器能提供高于傳統(tǒng)介質(zhì)電容器幾個(gè)數(shù)量級(jí)的能量密度，同時(shí)具有比電池更大的功率密度及更好的循環(huán)使用能力。可以想象到的大規(guī)模應(yīng)用超級(jí)電容器的例子是儲(chǔ)備太陽(yáng)能、風(fēng)能及其它再生能源用于電動(dòng)交通工具的制動(dòng)中。
[0003]超級(jí)電容器的電容主要來(lái)源于電極材料的表面反應(yīng)，包括在電極與電解質(zhì)界面的表面電荷分離(即雙電層電容特性)和表面法拉第氧化還原反應(yīng)(即贗電容特性)。電極材料通常被認(rèn)為在超級(jí)電容器中起到了最重要的作用。在眾多的電極材料中，碳材料的應(yīng)用最廣泛，市售的超級(jí)電容器中超過(guò)由其制造。由于其來(lái)源豐富、種類多樣、比表面積大且導(dǎo)電性高，碳基超級(jí)電容器具有較高的功率密度、良好的循環(huán)可逆性同時(shí)具有極低的成本。
[0004]通常而言，超級(jí)電容器的電極碳材料需要存在多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳材料，微孔增強(qiáng)電荷的儲(chǔ)存能力，介孔的存在可以加速電極中離子的擴(kuò)散以增強(qiáng)導(dǎo)電性，而大孔可以作為離子緩沖池。常規(guī)活化方法所制備的碳材料很難具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的特征。因此，克服目前已有的缺點(diǎn)發(fā)展一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法制備具有優(yōu)良導(dǎo)電性能、合適孔隙率的碳材料用于超級(jí)電容器電極材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種利用有機(jī)小分子鹽作為前軀體通過(guò)硅基模板調(diào)控制備有序的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳基電極材料的制備和調(diào)控工藝。以乙酸鉀(CH3COOK)為原料，通過(guò)一步熱解制備出具有比表面積高、孔容積大的有序孔結(jié)構(gòu)碳材料，具備優(yōu)良的化學(xué)性能。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種多孔碳材料的制備方法，按照下述步驟進(jìn)行:
[0008]將乙酸鉀放于鎳坩禍，置于高溫石英管式爐中，在惰性氣流保護(hù)下，進(jìn)行高溫?zé)峤?，?jīng)過(guò)熱解后得到產(chǎn)物，用酸溶液洗去產(chǎn)物中的雜質(zhì)，再將產(chǎn)物浸沒(méi)于酸溶液中磁力攪拌，然后用大量去離子水將產(chǎn)物洗滌至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。
[0009]所述的惰性氣流為N2，Ar的一種;流速為20?100mL/min。
[0010]所述的高溫?zé)峤夥绞綖?升溫速率為3?8 °C/min，升溫至700?900 °C，并在700?900°(:保持0.5?311。
[0011]所述的酸溶液為鹽酸或硝酸，體積分?jǐn)?shù)為5?10%，所述攪拌速率為200?100r/min，攪拌時(shí)間為2?6h。
[0012]所述的真空干燥溫度為60?110°C，時(shí)間為6?24h。
[0013]所述多孔碳材料用于超級(jí)電容器電極材料。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)通過(guò)乙酸鉀作為前軀體，原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉。
[0016](2)通過(guò)乙酸鉀自身含有羧基的特殊結(jié)構(gòu)自活化制備多級(jí)孔碳，省去了額外的活化步驟，具有重要的意義。
[0017](2)材料制備制備方法簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，可以利用熱解溫度、升溫速率等特性對(duì)材料特性進(jìn)行調(diào)控。
[0018](3)制備的材料孔性結(jié)構(gòu)良好，比表面積高、孔體積大，電化學(xué)性能良好，并且在其他方面也能得到應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為實(shí)施例1制得的碳材料的掃描電鏡圖；
[0020]圖2為實(shí)施例1制得的碳材料根據(jù)他吸附-脫附等溫線得到的孔徑分布圖；
[0021 ]圖3為實(shí)施例1制得的碳材料的循環(huán)伏安曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0023]實(shí)施例1
[0024]稱取1g乙酸鉀鹽放于鎳坩禍，置于高溫石英管式爐中在Ar氣流(氣體流速為40mL/min)保護(hù)下，以5 °C/min的升溫速率升溫至800 °C，維持1.5h后自然冷卻，經(jīng)過(guò)熱解后得到黑色的復(fù)合碳材料，然后加入過(guò)量10%HN03(v/v)溶液，使復(fù)合碳材料浸沒(méi)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為500r/min磁力攪拌3h，然后用大量去離子水洗滌至中性，80°C真空干燥18h，即得到多孔碳材料。
[0025]將其用于超級(jí)電容器電極材料的測(cè)試方法是:
[0026]先將多孔碳材料經(jīng)瑪瑙研缽磨細(xì)至粒徑小于30μπι的粉末，按質(zhì)量比85:10: 5稱取上述多孔碳、乙炔黑和聚偏氟乙稀(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)，加入適量N-甲基吡咯烷酮(N-Methyl pyrrolidone，NMP)充分混合調(diào)漿，將其均勻涂布在尺寸為1.2X2.0cm的泡沫鎳上，待其干燥后，在手動(dòng)油壓機(jī)上以1MPa壓力壓覆制成電極，并進(jìn)一步真空烘干待用。電極測(cè)試采用三電極體系，其中對(duì)電極為Pt片，參比電極為飽和甘汞電極(Hg/HgO)，采用6M KOH水溶液為電解液。
[0027]通過(guò)掃描圖像(圖1)可以看出，該材料呈不均勻塊狀，表面粗糙，散布有裂紋。根據(jù)氮?dú)馕?脫附等溫線，該材料的BET比表面積為2144m2/g，孔體積為1.31cm3/g，其中，根據(jù)t-plot方法計(jì)算的微孔比表面積為1465m2/g，微孔容積為0.85cm3/g，具有明顯的介孔結(jié)構(gòu)(圖2)，平均孔直徑為2.88nm。將其用于電化學(xué)測(cè)試，圖3是當(dāng)掃描速率為10mV/S時(shí)的循環(huán)伏安曲線，可以看出材料具有較好的電化學(xué)循環(huán)性能。進(jìn)一步地，該材料在IA/g電流密度下比電容為125.1F/g。
[0028]實(shí)施例2
[0029]稱取1g乙酸鉀鹽放于鎳坩禍，置于高溫石英管式爐中在N2氣流(氣體流速為20mL/min)保護(hù)下，以3°C/min的升溫速率升溫至700°C，維持3h后自然冷卻，經(jīng)過(guò)熱解后得到黑色的復(fù)合碳材料，然后加入過(guò)量5%HCl(v/v)溶液，使復(fù)合碳材料浸沒(méi)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為lOOOr/min磁力攪拌2h，然后用大量去離子水洗滌至中性，60°C真空干燥24h，即得到多孔碳材料。
[0030]將其用于電化學(xué)測(cè)試，在lA/g電流密度下比電容為96.4F/g。
[0031]實(shí)施例3
[0032]稱取1g乙酸鉀鹽放于鎳坩禍，置于高溫石英管式爐中在N2氣流(氣體流速為100mL/min)保護(hù)下，以8°C/min的升溫速率升溫至900°C，維持0.5h后自然冷卻，經(jīng)過(guò)熱解后得到黑色的復(fù)合碳材料，然后加入過(guò)量7%HCl(v/v)溶液，使復(fù)合碳材料浸沒(méi)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為200r/min磁力攪拌6h，然后用大量去離子水洗滌至中性，110°C真空干燥6h，即得到多孔碳材料。
[0033]將其用于電化學(xué)測(cè)試，在lA/g電流密度下比電容為102.9F/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，按照下述步驟進(jìn)行: 將乙酸鉀放于鎳坩禍，置于高溫石英管式爐中，在惰性氣流保護(hù)下，進(jìn)行高溫?zé)峤?，?jīng)過(guò)熱解后得到產(chǎn)物，用酸溶液洗去產(chǎn)物中的雜質(zhì)，再將產(chǎn)物浸沒(méi)于酸溶液中磁力攪拌，然后用大量去離子水將產(chǎn)物洗滌至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的惰性氣流為N2，Ar 的一種；流速為 20 ?100mL/min。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的高溫?zé)峤夥绞綖?升溫速率為3?8°C/min，升溫至700?900°C，并在700?900°C保持0.5?3h。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的酸溶液為鹽酸或硝酸，體積分?jǐn)?shù)為5?10%，所述攪拌速率為200?1000r/min，攪拌時(shí)間為2?6h。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的真空干燥溫度為60?110°C，時(shí)間為6?24h。6.權(quán)利要求1?5任意一項(xiàng)所述的方法制備的多孔碳材料的用途，其特征在于，所述多孔碳材料用于超級(jí)電容器電極材料。
【文檔編號(hào)】H01G11/24GK105845457SQ201610357629
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】何勁松, 戴江棟, 謝阿田, 田蘇君, 張瑞龍, 常忠?guī)? 閆永勝
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)