一種多孔碳材料的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種多孔碳材料的制備方法，屬于節能環保【技術領域】。多孔碳材料是采用多孔聚合物為模板，將碳材料前驅體先吸附到多孔聚合物基體上，然后高溫燒掉多孔聚合物基體，得到具有多孔結構的碳材料。多孔聚合物模板法得到的碳材料具有比表面積大，孔徑分布廣和孔徑可調等性質，顯著提高了碳材料超級電容器和電容除鹽性能。多孔聚合物在多孔碳材料的制備過程中可以有效地避免碳層的堆疊，同時使碳材料保留較好的多孔結構。利用該方法制備的碳材料表面可以形成大量雙電層，從而提高超級電容器的雙電層電容，并顯著提高其電容除鹽性能。
【專利說明】一種多孔碳材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多孔碳材料的制備方法，屬于節能環保【技術領域】。
【背景技術】
[0002]多孔碳材料是指具有不同孔結構的碳材料，其孔徑大小可以根據實際應用的要求進行調控。多孔碳材料的孔徑范圍較廣，從納米級微孔到微米級大孔。多孔碳材料兼有孔結構的大比表面積，可控的孔道結構和孔徑可調的特點和碳材料的化學穩定性好，導電性好和廉價等優點。獨特的結構和優異的化學性能使多孔碳材料可以在氣體分離，水的凈化，色譜分析，催化，光催化等諸多領域得到廣泛應用。
[0003]多孔碳材料的性能主要取決于其比表面積和孔結構。目前，多孔碳材料常用的制備方法有活化法和模板法。其中，活化法的造孔效率較低，而且在造孔的過程中還會損失一部分碳材料。相反，模板法則可以利用模板有效地控制碳材料的孔結構，從而制備出孔徑可調的碳材料。模板法又分為兩種:軟模板法和硬模板法。其中，軟模板法采用的模板主要是表面活性劑，而大量表面活性劑的使用則會對環境造成污染。硬模板法雖然不會造成對環境的污染，但硬模板的制備相對復雜，而且有些硬模板價格昂貴，且制備工藝較為復雜。所以，選擇一種合適的方法制備多孔碳材料顯得尤為重要。
【發明內容】
[0004]本發明目的是為了解決現有制備多孔碳材料的過程中容易出現堆疊的問題，提供一種多孔碳材料的制備方法。
[0005]本發明目的是通過下述技術方案實現的。
[0006]一種多孔碳材料的制備方法，具體步驟如下:
[0007]步驟一、將多孔聚合物浸入到碳材料的分散液中，待碳材料在多孔聚合物上吸附飽和，取出，烘干，如此多次反復，直至得到飽和了碳材料的多孔聚合物基體；
[0008]步驟二、將步驟一所得的多孔聚合物基體在惰性氣氛下高溫煅燒，即得到多孔碳材料；
[0009]所述的多孔聚合物為:聚氨酯，聚乙烯，纖維素等所有可以在高溫下分解的聚合物。
[0010]所述的碳材料為:石墨烯,碳納米管,炭黑,石墨，碳纖維,碳納米帶。
[0011]步驟二所述高溫為400~1500°C。
[0012]有益效果
[0013]1、本發明的一種多孔碳材料的制備方法，因為聚合物的骨架結構避免了碳材料的團聚，該方法較好地解決了碳材料在制備過程中容易堆疊的問題，使碳材料在超級電容器和電容除鹽應用中可以更充分地被利用。
[0014]2、本發明的一種多孔碳材料的制備方法，因為聚合物的骨架結構可以起到模板作用，該方法制備的碳材料具有多孔結構，且孔徑結構可以由多孔聚合物調節。【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的掃描電鏡圖
[0016]圖2為沒有采用任何模板制備的石墨烯的掃描電鏡圖
[0017]圖3為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的氮氣吸附-脫附曲線
[0018]圖4為沒有采用任何模板制備的石墨烯的氮氣吸附-脫附曲線
[0019]圖5為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的孔徑分布圖
[0020]圖6為沒有采用任何模板制備的石墨烯的孔徑分布圖
[0021]圖7為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的大孔孔徑分布圖
[0022]圖8為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯在1.5MNaCl溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環伏安曲 線
[0023]圖9為沒有采用任何模板制備的石墨烯在1.5MNaCl溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環伏安曲線
[0024]圖10為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯在6MK0H溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環伏安曲線
[0025]圖11為沒有采用任何模板制備的石墨烯在6MK0H溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環伏安曲線
[0026]圖12為采用聚氨酯為模板和沒有采用模板制備的石墨烯的除鹽曲線
[0027]圖13為采用聚氨酯為模板和沒有采用模板制備的石墨烯的除鹽循環過程曲線
[0028]圖14為采用聚乙烯為模板制備的炭黑的掃描電鏡圖
[0029]圖15為采用聚乙烯為模板制備的炭黑在6MK0H溶液中掃速為5mV/s的循環伏安曲線
[0030]圖16為采用纖維素為模板制備的碳納米管的掃描電鏡圖
[0031]圖17為采用纖維素為模板制備的碳納米管在6MK0H溶液中掃速為5mV/s的循環伏安曲線
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0033]實施例1
[0034]把洗干凈的聚氨酯浸入到氧化石墨烯的分散液中，待氧化石墨烯在聚氨酯上吸附飽和，取出，烘干，再次浸入，取出，烘干，如此多次反復，最終得到飽和了氧化石墨烯的聚氨酯基體。將聚氨酯基體放入管式爐中在氬氣氣氛條件下900°C煅燒2h得到多孔石墨烯材料(下面標記為A)。
[0035]按質量百分比85:10:5的比例稱取制備好的多孔碳材料，導電材料和PTFE懸浮液，超聲分散0.5h使其均勻。裁剪IOcmX 5cm的碳纖維紙(北京吉興盛安工貿有限公司)作為電極基材，將超聲分散好的多孔碳材料的懸浮液均勻的涂覆在電極基材上，然后放入110°C的真空干燥箱中干燥過夜，得到涂覆好的電極片。
[0036]為了更好的說明本發明所述的以多孔聚合物為模板制備多孔碳材料的方法，我們采用常規方法制備了石墨烯材料。其制備方法如下:將氧化石墨烯制備成分散液，干燥后將產品在900°C氬氣氣氛下煅燒2h制得石墨烯材料(下面標記為B)。把制備好的石墨烯材料用同樣的方法制備得到電極，以供下面測試使用。
[0037]1.表面形貌
[0038]圖1和圖2分別為A和B材料的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，A具有多孔結構，其孔徑范圍可以達到微米級，而B材料呈破碎狀，不具備大孔結構。而材料的孔結構在其電化學應用中起到重要的作用。就超級電容器而言，合適的孔徑結構有利于形成更多的雙電層，進而產生更多的雙電層電容。從電容除鹽的角度說，多孔結構有利于更多鹽的電化學吸附。因此，A材料具有可以充分發揮其電化學性能的獨特結構。
[0039]2.孔徑，比表面積分析[0040]圖3和圖4分別是A和B材料的氮氣吸附-脫附測試曲線。其中A材料的比表面積為305!!?'高于B材料的比表面積(HSm2gI。大的比表面積是由于聚氨酯減少了石墨烯在制備過程中的堆疊。圖5和圖6分別是A和B的孔徑分布圖，從圖中看出A的孔尺寸大于3.5nm并具有從3.5nm到IOnm的孔徑分布。與之不同的是，B的孔徑集中在5nm以下。為了更好的說明A的孔徑分布，我們對其做了壓汞測試，如圖7。結果表明A的孔徑分布為32.4nm到89.9 μ m。綜上，A具有比表面積大，孔徑分布廣的特點。
[0041]3.電化學性能
[0042]圖8和圖9分別是A和B材料在1.5MNaCl溶液中的循環伏安圖。從圖中可以看出A材料的循環伏安圖形更接近于矩形，這說明其導電性相對更好。另外，其比電容也相對較大，在掃描速度為SmViT1時，A材料和B材料的比電容分別為eeFg—1和34Fg'這說明A材料在中性溶液中具有比B材料優異的超級電容器性能。
[0043]圖10和圖11分別是A和B材料在6MK0H溶液中的循環伏安圖。從圖中可以看出A的循環伏安曲線呈矩形形狀，表明其具有理想的雙電層電容性能。其比容量在IOmViT1的掃速下可以達到287Fg'與之不同的是，B材料的循環伏安曲線呈傾斜狀，這說明其導電性相對較差。其在IOmViT1的掃速下的比容量也僅為78Fg'通過比較可知，A在堿性溶液中具有優異的超級電容器性能。
[0044]圖12和圖13分別是A和B材料的除鹽性能和再生性能的測試。我們配制了初始電導率為160 μ S/cm的NaCl溶液，用于進行電容除鹽測試。其中鹽溶液的體積為20mL，兩極板間距離為1mm，兩極板間施加的電壓為1.5V,流速為3mL/min。將采用A和B材料涂覆的電極插入到電容除鹽裝置，給兩極板加上1.5V的外加電壓，測試溶液電導率隨時間的變化。當電吸附達到飽和后，把正、負極板短接，接著測試離子從電極脫附過程中電導率的變化。從圖7可以看出A材料在相同時間具有更高的除鹽效率，其60min內的除鹽效率可以達到4.gSmgg—1,而B材料在60min內的除鹽效率僅為2.SSmgg'另外，圖8中除鹽后電極的再生曲線也顯示，A材料涂覆的電極可以在25min得到再生，這比B材料的30min要快。綜上，A材料具有較好的電容除鹽性能。
[0045]實施例2
[0046]把洗干凈的聚乙烯浸入到炭黑的分散液中，待炭黑在聚乙烯上吸附飽和，取出，烘干，再次浸入，取出，烘干，如此多次反復，最終得到飽和了炭黑的聚乙烯基體。將聚乙烯基體放入管式爐中在氬氣氣氛條件下400°C煅燒2h得到多孔炭黑材料。
[0047]圖14為制備得到的多孔炭黑材料的掃描電鏡圖。可以看出炭黑材料具有一定的多孔結構。
[0048]圖15是多孔炭黑材料在6MK0H溶液中的循環伏安測試曲線。其比容量在SmVs—1的掃速下可以達到KMFg'表明其具有良好的超級電容器性能。
[0049]實施例3
[0050] 把洗干凈的纖維素浸入到碳納米管的分散液中，待碳納米管在纖維素上吸附飽和，取出，烘干，再次浸入，取出，烘干，如此多次反復，最終得到飽和了碳納米管的纖維素基體。將纖維素基體放入管式爐中在氬氣氣氛條件下700°C煅燒3h得到多孔碳納米管材料。
[0051]圖16為制備得到的多孔碳納米管材料的掃描電鏡圖。可以看出碳納米管材料具有一定的多孔結構。
[0052]圖17是多孔炭黑材料在6MK0H溶液中的循環伏安測試曲線。其比容量在SmVs—1的掃速下可以達到MeFg'表明其具有良好的超級電容器性能。
【權利要求】
1.一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、將多孔聚合物浸入到碳材料的分散液中，待碳材料在多孔聚合物上吸附飽和，取出，烘干，如此多次反復，直至得到飽和了碳材料的多孔聚合物基體； 步驟二、將步驟一所得的多孔聚合物基體在惰性氣氛下高溫煅燒，即得到多孔碳材料。
2.如權利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:所述的多孔聚合物為:聚氨酯，聚乙烯，纖維素等所有可以在高溫下分解的聚合物。
3.如權利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:所述的碳材料為:石墨烯，碳納米管，炭黑，石墨，碳纖維，碳納米帶。
4.如權利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:步驟二所述高溫為.400 ~1500。C。
【文檔編號】C01B31/02GK103950917SQ201410190621
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月7日 優先權日:2014年5月7日
【發明者】嚴乙銘, 楊志宇, 金林劍, 陸國乾 申請人:北京理工大學