多層有序多孔碳材料及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及多層有序多孔碳材料【技術領域】，是一種多層有序多孔碳材料及其制備方法，該多層有序多孔碳材料按下述制備方法得到：第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850℃至950℃后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物。本發明通過利用廢棄的牙科藻酸鹽印模作為初始原料獲得多層有序多孔碳材料，能夠變廢為寶，避免了資源的浪費，不僅保護了環境，而且得到的多層有序多孔碳材料的層狀多孔結構、納米級結構以及超大的比表面積，使得其作為超級電容器電極材料時，能夠有效提高超級電容器電極材料的比電容，并且具有較高的功率特性，而且使用壽命更長。
【專利說明】多層有序多孔碳材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多層有序多孔碳材料【技術領域】，是一種多層有序多孔碳材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 超級電容器是上世紀七、八十年代發展起來的一種新型儲能裝置。它是一種介于物理電容器與電池之間、具有特殊性能的化學電源，主要依靠雙電層和氧化還原電容來儲存電能。超級電容器具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等優點，因此作為儲能器件得到了廣泛應用。雙電層電容器是非常重要的一類超級電容器，其儲能機理是利用碳電極與電解液界面電荷分離所產生的雙電層電容來儲能的。目前，適合作為雙電層電容器電極的材料主要有活性炭、玻態炭、炭纖維、炭氣凝膠以及碳納米管等。其中，活性炭是最廣泛的一種電極材料。然而，活性炭的晶化程度、電導率、比電容、比功率等都比較低，無法應用于需要高功率的場合。因此，開發具有高比容量、高功率和穩定性好的新型碳電極材料，是促進雙電層電容器性能、實現其在高功率場合應用的重要途徑。目前口腔修復及正畸領域廣泛應用藻酸鹽材料為患者制取口腔印模后，大量藻酸鹽印模被廢棄，不僅污染環境，而且其中含碳成分不能有效利用，造成資源嚴重浪費。
【發明內容】
[0003]本發明提供了一種多層有序多孔碳材料及其制備方法，克服了上述現有技術之不足，其能有效解決目前牙科藻酸鹽印模為患者制取口腔印模后被廢棄造成污染環境和資源浪費嚴重的問題。
[0004]本發明的技術方案之一是通過以下措施來實現的:一種多層有序多孔碳材料，按下述方法得到:第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850°C至950°C后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物；第三步，將炭化混合物研磨成粉末狀混合物，然后將粉末狀混合物分散在鹽酸溶液中進行鹽酸刻蝕，以除去物料中的鈣離子、鎂離子和鐵離子，鹽酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氯離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子的質量均含量低于0.5% ;第四步，將經過鹽酸刻蝕并過濾、水洗后的物料加入到氫氟酸溶液中繼續進行氫氟酸酸刻蝕以除去物料中的硅離子，氫氟酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氟離子和硅離子的質量均含量低于
0.5% ;第五步，將經過氫氟酸刻蝕并過濾、水洗后的物料干燥至物料的質量含水量為0.05%至0.1%，接著將經過干燥后的物料研磨成粉末狀的物料得到多層有序多孔碳材料。
[0005]本發明的技術方案之二是通過以下措施來實現的:一種多層有序多孔碳材料的制備方法，按下述步驟進行:第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850°C至950°C后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物；第三步，將炭化混合物研磨成粉末狀混合物，然后將粉末狀混合物分散在鹽酸溶液中進行鹽酸刻蝕，以除去物料中的鈣離子、鎂離子和鐵離子，鹽酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氯離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子的質量均含量低于0.5% ;第四步，將經過鹽酸刻蝕并過濾、水洗后的物料加入到氫氟酸溶液中繼續進行氫氟酸酸刻蝕以除去物料中的硅離子，氫氟酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氟離子和硅離子的質量均含量低于0.5% ;第五步，將經過氫氟酸刻蝕并過濾、水洗后的物料干燥至物料的質量含水量為0.05%至0.1%，接著將經過干燥后的物料研磨成粉末狀的物料得到多層有序多孔碳材料。
[0006]下面是對上述發明技術方案的進一步優化或/和改進:
上述第一步中，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成3 cm3至6 cm3的藻酸鹽印模塊。
[0007]上述第一步中，先將廢棄的牙科藻酸鹽印模干燥至質量含水量為1%至5%后，再切成小塊得到藻酸鹽印模塊。
[0008]上述第二步中，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下按照5°C /min至10°C /min的升溫速率升溫至850°C至950°C。
[0009]上述第三步中，鹽酸刻蝕所用的鹽酸溶液的濃度為lmol/L至4mol/L ;或/和，第四步中，氫氟酸刻蝕所用的氫氟酸溶液的質量濃度為10%至40%。
[0010]本發明通過利用廢棄的牙科藻酸鹽印模作為初始原料獲得多層有序多孔碳材料，能夠變廢為寶，避免了資源的浪費，不僅保護了環境，而且得到的多層有序多孔碳材料的層狀多孔結構、納米級結構以及超大的比表面積，使得其作為超級電容器電極材料時，能夠有效提高超級電容器電極材料的比電容，并且具有較高的功率特性，而且使用壽命更長。
【具體實施方式】
[0011]本發明不受下述實施例的限制，可根據本發明的技術方案與實際情況需要增減非必要的技術特征來確定具體的實施方式。
[0012]下面結合實施例對本發明作進一步描述:
實施例1，該多層有序多孔碳材料按下述制備方法得到:第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850°C至950°C后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物；第三步，將炭化混合物研磨成粉末狀混合物，然后將粉末狀混合物分散在鹽酸溶液中進行鹽酸刻蝕，以除去物料中的鈣離子、鎂離子和鐵離子，鹽酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氯離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子的質量均含量低于0.5% ;第四步，將經過鹽酸刻蝕并過濾、水洗后的物料加入到氫氟酸溶液中繼續進行氫氟酸酸刻蝕以除去物料中的硅離子，氫氟酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氟離子和硅離子的質量均含量低于0.5% ;第五步，將經過氫氟酸刻蝕并過濾、水洗后的物料干燥至物料的質量含水量為0.05%至0.1%，接著將經過干燥后的物料研磨成粉末狀的物料得到多層有序多孔碳材料。第三步和第四步中，對氯離子、鈣離子、鎂離子、鐵離子、氟離子和硅離子的質量含量測定可以采用能譜進行測定；炭化時可以將藻酸鹽印模塊放入管式爐中在惰性氣體的保護下進行升溫炭化，本發明通過利用廢棄的牙科藻酸鹽印模作為初始原料，經過高溫焙燒實現廢棄物中含碳有機物的炭化，然后分別使用鹽酸和氫氟酸對高溫炭化處理后的炭化混合物進行鹽酸刻蝕和氫氟酸刻蝕處理，除去物料中的非碳成分，最終獲得可作為雙電層電容器電極材料的具有超大比表面積的多層有序多孔碳材料。[0013]實施例2，該多層有序多孔碳材料按下述制備方法得到:第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850°C或950°C后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物；第三步，將炭化混合物研磨成粉末狀混合物，然后將粉末狀混合物分散在鹽酸溶液中進行鹽酸刻蝕，以除去物料中的鈣離子、鎂離子和鐵離子，鹽酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氯離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子的質量均含量低于0.5% ;第四步，將經過鹽酸刻蝕并過濾、水洗后的物料加入到氫氟酸溶液中繼續進行氫氟酸酸刻蝕以除去物料中的硅離子，氫氟酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氟離子和硅離子的質量均含量低于0.5% ;第五步，將經過氫氟酸刻蝕并過濾、水洗后的物料干燥至物料的質量含水量為0.05%或0.1%，接著將經過干燥后的物料研磨成粉末狀的物料得到多層有序多孔碳材料。
[0014]實施例3，作為上述實施例的優選，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成3 cm3至6 cm3的藻酸鹽印模塊。
[0015]實施例4，與上述實施例的不同之處在于，先將廢棄的牙科藻酸鹽印模干燥至質量含水量為1%至5%后，再切成小塊得到藻酸鹽印模塊。
[0016]實施例5，作為上述實施例的優選，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下按照50C /min至10°C /min的升溫速率升溫至850°C至950°C。
[0017]實施例6，作為上述實施例的優選，鹽酸刻蝕所用的鹽酸溶液的濃度為lmol/L至4mol/L ;或/和,第四步中，氫氟酸刻蝕所用的氫氟酸溶液的質量濃度為10%至40%。
[0018]本發明通過利用廢棄的牙科藻酸鹽印模作為初始原料，經過高溫焙燒實現廢棄物中含碳有機物的炭化，然后分別經過高溫炭化、酸刻蝕除去混合物中的非碳成分，最終獲得可作為雙電層電容器電極材料的具有超大比表面積的多層有序多孔碳材料，本發明方法利用廢棄的牙科藻酸鹽印模作為初始原料，能夠變廢為寶，避免了資源的浪費，不僅保護了環境，而且得到的多層有序多孔碳材`料中含有S元素，這能夠在一定程度上提高其的活性，并且對根據本發明實施例方法得到的多層有序多孔碳材料采用掃描電鏡、透射電鏡、X-射線衍射、氮吸附等手段進行形貌和結構表征，可以發現根據本發明實施例方法得到的多層有序多孔碳材料為層狀多孔結構、并且厚度為250至300 nm的微米片、比表面積超過1200 m2/g，由此說明，根據本發明實施例方法得到的多層有序多孔碳材料的層狀多孔結構、納米級結構以及超大的比表面積，使得當根據本發明實施例方法得到的多層有序多孔碳材料作為超級電容器電極材料時，能夠有效提聞超級電容器電極材料的比電容，并且具有較聞的功率特性，而且使用壽命更長。
【權利要求】
1.一種多層有序多孔碳材料，其特征在于按下述方法得到:第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850°C至950°C后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物；第三步，將炭化混合物研磨成粉末狀混合物，然后將粉末狀混合物分散在鹽酸溶液中進行鹽酸刻蝕，以除去物料中的鈣離子、鎂離子和鐵離子，鹽酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氯離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子的質量均含量低于0.5% ;第四步，將經過鹽酸刻蝕并過濾、水洗后的物料加入到氫氟酸溶液中繼續進行氫氟酸酸刻蝕以除去物料中的硅離子，氫氟酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氟離子和硅離子的質量均含量低于0.5% ;第五步，將經過氫氟酸刻蝕并過濾、水洗后的物料干燥至物料的質量含水量為0.05%至0.1%，接著將經過干燥后的物料研磨成粉末狀的物料得到多層有序多孔碳材料。
2.根據權利要求1所述的多層有序多孔碳材料，其特征在于第一步中，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成3 cm3至6 cm3的藻酸鹽印模塊。
3.根據權利要求1或2所述的多層有序多孔碳材料，其特征在于第一步中，先將廢棄的牙科藻酸鹽印模干燥至質量含水量為1%至5%后，再切成小塊得到藻酸鹽印模塊。
4.根據權利要求1或2或3所述的多層有序多孔碳材料，其特征在于第二步中，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下按照5°C /min至10°C /min的升溫速率升溫至850°C至950。。。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的多層有序多孔碳材料，其特征在于第三步中，鹽酸刻蝕所用的鹽酸溶液的濃度為lmol/L至4mol/L ;或/和，第四步中，氫氟酸刻蝕所用的氫氟酸溶液的質量濃度為10%至40%。
6.一種多層有序多孔碳材料的制備方法，其特征在于按下述步驟進行:第一步，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成小塊得到藻酸鹽印模塊；第二步，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下，升溫至850°C至950°C后，進行炭化，炭化后得到炭化混合物；第三步，將炭化混合物研磨成粉末狀混合物，然后將粉末狀混合物分散在鹽酸溶液中進行鹽酸刻蝕，以除去物料中的鈣離子、鎂離子和鐵離子，鹽酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氯離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子的質量均含量低于0.5% ;第四步，將經過鹽酸刻蝕并過濾、水洗后的物料加入到氫氟酸溶液中繼續進行氫氟酸酸刻蝕以除去物料中的硅離子，氫氟酸刻蝕至物料經過過濾、水洗后物料中的氟離子和硅離子的質量均含量低于0.5% ;第五步，將經過氫氟酸刻蝕并過濾、水洗后的物料干燥至物料的質量含水量為0.05%至0.1%，接著將經過干燥后的物料研磨成粉末狀的物料得到多層有序多孔碳材料。
7.根據權利要求6所述的多層有序多孔碳材料的制備方法，其特征在于第一步中，將廢棄的牙科藻酸鹽印模切成3 cm3至6 cm3的藻酸鹽印模塊。
8.根據權利要求6或7所述的多層有序多孔碳材料的制備方法，其特征在于第一步中，先將廢棄的牙科藻酸鹽印模干燥至質量含水量為1%至5%后，再切成小塊得到藻酸鹽印模塊。
9.根據權利要求6或7或8所述的多層有序多孔碳材料的制備方法，其特征在于第二步中，將藻酸鹽印模塊在惰性氣體的保護下按照5°C /min至10°C /min的升溫速率升溫至850 °C 至 950 °C。
10.根據權利要求6或7或8或9所述的多層有序多孔碳材料的制備方法，其特征在于第三步中，鹽酸刻蝕所用的鹽酸溶液的濃度為lmol/L至4mol/L ;或/和，第四步中，氫氟酸刻蝕所用的氫氟酸溶液的質量濃度為1`0%至40%。
【文檔編號】H01G11/44GK103482603SQ201310414557
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】米叢波, 趙今, 祖麗呼瑪·阿熱甫江, 錢雅婧, 胡明華, 潘旭, 聶晶 申請人:新疆醫科大學第一附屬醫院