一種多孔碳材料的制備方法及其用圖
【專利摘要】本發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，在惰性氣流保護下，進行高溫熱解，經過熱解后得到產物，用酸溶液洗去產物中的雜質，再將產物浸沒于酸溶液中磁力攪拌，然后用大量去離子水將產物洗滌至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。制備的材料孔性結構良好，比表面積高、孔體積大，電化學性能良好，并且在其他方面也能得到應用。
【專利說明】
一種多孔碳材料的制備方法及其用途
技術領域
[0001]本發明屬于超級電容器電極材料制備領域，具體涉及一種多孔碳材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]當今，快速發展的全球經濟引發了嚴重的環境問題，并造成了化石燃料的過度消耗，這對人類的生存和發展構成了無比的威脅。因此，開發可持續清潔能源以及有效的能量轉換和儲存技術是本世紀面臨的一個巨大挑戰。超級電容器(又稱電化學電容器)作為一種獨特的電能存儲設備，它是連接傳統介質電容器和電池之間的重要橋梁，因此近年來受到世界范圍內越來越多的重視，超級電容器能提供高于傳統介質電容器幾個數量級的能量密度，同時具有比電池更大的功率密度及更好的循環使用能力。可以想象到的大規模應用超級電容器的例子是儲備太陽能、風能及其它再生能源用于電動交通工具的制動中。
[0003]超級電容器的電容主要來源于電極材料的表面反應，包括在電極與電解質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(即贗電容特性)。電極材料通常被認為在超級電容器中起到了最重要的作用。在眾多的電極材料中，碳材料的應用最廣泛，市售的超級電容器中超過由其制造。由于其來源豐富、種類多樣、比表面積大且導電性高，碳基超級電容器具有較高的功率密度、良好的循環可逆性同時具有極低的成本。
[0004]通常而言，超級電容器的電極碳材料需要存在多級孔結構碳材料，微孔增強電荷的儲存能力，介孔的存在可以加速電極中離子的擴散以增強導電性，而大孔可以作為離子緩沖池。常規活化方法所制備的碳材料很難具有多級孔結構的特征。因此，克服目前已有的缺點發展一種相對簡單的方法制備具有優良導電性能、合適孔隙率的碳材料用于超級電容器電極材料具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0005]本發明涉及一種利用有機小分子鹽作為前軀體通過硅基模板調控制備有序的多級孔結構碳基電極材料的制備和調控工藝。以乙酸鉀(CH3COOK)為原料，通過一步熱解制備出具有比表面積高、孔容積大的有序孔結構碳材料，具備優良的化學性能。
[0006]本發明采用的技術方案是:
[0007]—種多孔碳材料的制備方法，按照下述步驟進行:
[0008]將乙酸鉀放于鎳坩禍，置于高溫石英管式爐中，在惰性氣流保護下，進行高溫熱解，經過熱解后得到產物，用酸溶液洗去產物中的雜質，再將產物浸沒于酸溶液中磁力攪拌，然后用大量去離子水將產物洗滌至中性，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]所述的高溫熱解方式為: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，體積分數為5?10%，所述攪拌速率為200?100r/min，攪拌時間為2?6h。
[0012]所述的真空干燥溫度為60?110°C，時間為6?24h。
[0013]所述多孔碳材料用于超級電容器電極材料。
[0014]本發明的有益效果是:
[0015](I)通過乙酸鉀作為前軀體，原料來源豐富、價格低廉。
[0016](2)通過乙酸鉀自身含有羧基的特殊結構自活化制備多級孔碳，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單，操作性強，可以利用熱解溫度、升溫速率等特性對材料特性進行調控。
[0018](3)制備的材料孔性結構良好，比表面積高、孔體積大，電化學性能良好，并且在其他方面也能得到應用。
【附圖說明】
[0019]圖1為實施例1制得的碳材料的掃描電鏡圖；
[0020]圖2為實施例1制得的碳材料根據他吸附-脫附等溫線得到的孔徑分布圖；
[0021 ]圖3為實施例1制得的碳材料的循環伏安曲線。
【具體實施方式】
[0022]下面結合具體實施實例對本發明做進一步說明:
[0023]實施例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，經過熱解后得到黑色的復合碳材料，然后加入過量10%HN03(v/v)溶液，使復合碳材料浸沒，設定轉速為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]將其用于超級電容器電極材料的測試方法是:
[0026]先將多孔碳材料經瑪瑙研缽磨細至粒徑小于30μπι的粉末，按質量比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，在手動油壓機上以1MPa壓力壓覆制成電極，并進一步真空烘干待用。電極測試采用三電極體系，其中對電極為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。根據氮氣吸附-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t-plot方法計算的微孔比表面積為1465m2/g，微孔容積為0.85cm3/g，具有明顯的介孔結構(圖2)，平均孔直徑為2.88nm。將其用于電化學測試，圖3是當掃描速率為10mV/S時的循環伏安曲線，可以看出材料具有較好的電化學循環性能。進一步地，該材料在IA/g電流密度下比電容為125.1F/g。
[0028]實施例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)保護下，以3°C/min的升溫速率升溫至700°C，維持3h后自然冷卻，經過熱解后得到黑色的復合碳材料，然后加入過量5%HCl(v/v)溶液，使復合碳材料浸沒，設定轉速為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]將其用于電化學測試，在lA/g電流密度下比電容為96.4F/g。
[0031]實施例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，經過熱解后得到黑色的復合碳材料，然后加入過量7%HCl(v/v)溶液，使復合碳材料浸沒，設定轉速為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]將其用于電化學測試，在lA/g電流密度下比電容為102.9F/g。
【主權項】
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，在惰性氣流保護下，進行高溫熱解，經過熱解后得到產物，用酸溶液洗去產物中的雜質，再將產物浸沒于酸溶液中磁力攪拌，然后用大量去離子水將產物洗滌至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。2.根據權利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的惰性氣流為N2，Ar 的一種；流速為 20 ?100mL/min。3.根據權利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的高溫熱解方式為: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，所述的酸溶液為鹽酸或硝酸，體積分數為5?10%，所述攪拌速率為200?1000r/min，攪拌時間為2?6h。5.根據權利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述的真空干燥溫度為60?110°C，時間為6?24h。6.權利要求1?5任意一項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電容器電極材料。
【文檔編號】H01G11/24GK105845457SQ201610357629
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】何勁松, 戴江棟, 謝阿田, 田蘇君, 張瑞龍, 常忠帥, 閆永勝
【申請人】江蘇大學