一种可用于超级电容器材料的椭球状介孔碳的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种可适用于超级电容器材料的椭球状介孔碳的制备方法。即用椭球状的介孔二氧化硅为硬模板剂，往介孔孔道中填入液态油月旨，烘干后在惰性气氛中碳化，除去二氧化硅后，得到椭球状的介孔碳。本发明操作简单，所得椭球状介孔碳具有较高的离子传输性能，适用于超级电容器材料。
【专利说明】一种可用于超级电容器材料的椭球状介孔碳的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种椭球状介孔碳的制备方法，更具体地说是涉及将一种椭球状介孔 二氧化硅为硬模板剂，往其孔道中填入油脂，在惰性气氛下碳化为相应形貌多孔碳的方法。
【背景技术】
[0002] 二维介观结构的介孔碳不仅具有大的比表面积、大的孔体积和孔径，而且其孔道 具有规整的二维六角，这种平直形状的孔道有利于电荷的传输。因而人们常常将介孔碳用 于超级电容器材料。文献报道，长的孔道不利于传质，只有短的孔道才有利于传质。而目前 实验室或市场上能提供的介孔碳主要为CMK系列的介孔碳，它们的孔道都比较长而不利于 电荷传输。本发明提供了一种具有较短孔道的介孔椭球状碳的制备方法，其具有椭球状宏 观形貌，同时具有短而有序的内部孔道。
[0003] 文献以及专利报道制备多孔碳的方法很多，但还没有关于特殊形貌如椭球状介孔 碳的制备报道。同时，文献或专利中多用蔗糖或酚醛树脂等做碳前驱体制备，由于用蔗糖做 碳前驱体制备介孔碳时，需要使用硫酸为催化剂将蔗糖碳化，而用酚醛树脂做碳前驱体时， 往往需要事先制备低分子量的酚醛树脂，因此以上两种介孔碳的制备方法相对繁琐。而采 用油脂为碳的前驱体，由于有原料可以直接购买，因而制备方法显得简单。
[0004] 本发明用实验室自行合成的椭球状介孔二氧化硅为硬模板剂，在椭球状介孔二氧 化硅中填入油脂的情况下，惰性气氛中高温碳化，最终得到椭球状介孔碳。所得介孔碳具有 良好的电化学性能，可以适用于超级电容器的材料。
【发明内容】
[0005] 用椭球状的介孔二氧化硅为硬模板剂，往介孔孔道中填入液态油脂，烘干后在惰 性气氛中碳化，除去二氧化硅后，得到椭球状的介孔碳。
[0006] 本发明的目的是为了解决超级电容器生产过程中所采用的碳材料，其所用的介孔 碳的孔道比较长而影响离子传输，结果导致电性能降低。而采用椭球状介孔碳做超级电容 器，可以很好地解决这个问题。该方法具有生产成本低，工艺简单，所得椭球状介孔碳具有 良好的电化学性能等优点。
[0007] 本发明的技术原理： 本发明的一种椭球状介孔碳的制备方法。即用椭球状的介孔二氧化硅为硬模板剂，往 其介孔孔道中填充液态油脂，烘干后在惰性气氛中碳化，得到介孔碳/二氧化硅复合物，然 后用氢氧化钠或氢氟酸等除去二氧化硅，得到椭球状的介孔碳。
[0008] 本发明的技术方案： 一种椭球状介孔碳的制备方法，包括如下步骤： (1)、将液态油脂溶解于乙醇中，加入椭球状的介孔二氧化硅微纳米粒子，其中液态油 脂与二氧化硅微纳米粒子的质量比为0. 5-1. 5:1，优选为0. 8-1. 2:1，搅拌均匀后静置直到 乙醇挥发干，然后在18-50度下恒温12-48h，即得到油脂/二氧化硅复合物。
[0009] 所述的椭球状介孔二氧化硅，其长轴为0. 45?4. 0微米，短轴为0. 3?0. 8微 米，长轴与短轴之比即轴比为1. 5?5. 0。优选长轴为1. 3微米，短轴为0. 61微米，长轴 与短轴之比即轴比为2. 36。
[0010] 所述的液态油脂为大豆油、花生油、葵花籽油、蜂蜜、油菜籽油、棉花籽油的一种或 两种以上的混合液。
[0011] (2)、将步骤（1)中得到的油脂/二氧化硅复合物在高温下焙烧，控制焙烧温度 400-1000°C之间，优先在600-1000°C之间进行焙烧，焙烧时间为2-12h，自然冷却至室温； 即可得到椭球状的碳/二氧化硅微纳米粒子； (3)将步骤（2)的椭球状的碳/二氧化硅微纳米粒子放入到2 mol. L-I的氢氧化钠或 I mol. L-I的氢氟酸溶液中（按照质量/体积比（复合物：溶液)为1:10的比例)，搅拌24小 时。
[0012] (4)将步骤（3)的混合物过滤，并不断用去离子水清洗至pH呈中性，然后空气中干 燥，即得到椭球状介孔碳。
[0013] 通过本发明所得的椭球状介孔碳在超级电容器领域有广泛的应用前景。
[0014] 本发明的有益效果： 本发明的一种椭球状介孔碳的制备方法，由于是利用椭球状介孔二氧化硅做硬模板 齐IJ，用常见的液态油脂为碳前驱体，但惰性气氛下高温碳化而成，由于保留了介孔碳中较短 的孔道，因而具有良好的电化学性能。操作方法简单，成本低廉、可重复。
[0015]
【专利附图】
【附图说明】： 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0016] 图1为介孔类球碳的扫描电子显微镜图像。
[0017] 图2为椭球状介孔碳的小角X-射线衍射图谱。
[0018] 图3为椭球状介孔碳的孔径分布图。
[0019] 图4为椭球状介孔碳的循环伏安曲线图。测试条件：将样品在3M KOH电解质溶 液中以一定扫描速率在电势窗相对于饱和甘萊电极电极在-〇. 5到0. 2V范围内循环。
【具体实施方式】
[0020] 以下通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下 实施例。
[0021] 所述方法如无特别说明，均为常规方法。所述材料如无特别说明，均能从公开商业 途径购买得到。
[0022] 形貌各向异性的椭球状介孔二氧化硅微纳米粒子按照以下专利合成：沈绍典 等.CN101850984A: -种椭球状介孔二氧化硅分子筛及其制备方法合成[P]. 2010-10-06. 实施例1 一种椭球状介孔碳的制备方法，包括如下步骤： (1 )、称取大豆油脂〇. 5克，加入到1克椭球状介孔二氧化硅(长轴为1. 3微米，短轴为 0. 61微米，长轴与短轴之比即轴比为2. 36)中，搅拌均匀后放在18度空气中晾干，即得到 大豆油脂/二氧化硅复合物； (2)、在氮气气氛中，将步骤（1)所得的大豆油脂/二氧化硅复合物置于马弗炉 (DC-B8/11型，北京独创科技有限公司）中从室温缓慢升温至600°C，并在该温度下焙烧2h 后，自然冷却至室温；即可得椭球状的碳/Si02微纳米粒子； (3) 、步骤（2)焙烧后得到的复合物放入2 mol. L-I的氢氧化钠溶液中（按照质量/体 积比（复合物：溶液）为1:10的比例)，搅拌24小时； (4) 将步骤（3)的混合物过滤，并不断用去离子水清洗至pH呈中性，然后空气中干燥， 即得到椭球状介孔碳。
[0023] 将上述椭球状介孔碳用扫描电镜观察，即得附图1的电镜照片，可见样品仍然保 持椭球状。
[0024] 将椭球状介孔碳做小角XRD测试，见图2,介孔碳样品在衍射角度1. 1、1. 8和2. 2 度左右具有明显的衍射峰，经确认为二维六角结构。
[0025] 对椭球状介孔碳进行氮气吸附-脱附测试，见图3，样品的孔径均匀分布在7. 7 nm左右。
[0026] 对椭球状介孔碳的电性能进行测试，见图4,用椭球状介孔碳材料制备的电极在 6. 0 mol. L-I的KOH中的循环伏安曲线图。从图中可以看出，该电极的氧化还原过程基本呈 对称状态，形成准矩形结构，说明该电极体现良好的电容特征。说明该电极具有好的大电流 充放电特征。此材料有望作为超级电容器的材料用于超级电容器的制备。
[0027] 实施例2 一种椭球状介孔碳的制备方法，包括如下步骤： (1) 、称取花生油脂I. 0克，加入到I. 0克椭球状介孔二氧化硅(长轴为1. 3微米，短轴 为0.61微米，长轴与短轴之比即轴比为2. 36)中，搅拌均匀后放在25度空气中晾干，即得 到花生油脂/二氧化硅复合物； (2) 、在氩气气氛中，将步骤（1)所得的花生油脂/二氧化硅复合物置于马弗炉 (DC-B8/11型，北京独创科技有限公司）中从室温缓慢升温至800°C，并在该温度下焙烧4h 后，自然冷却至室温；即可得椭球状的碳/Si02微纳米粒子； (3) 、步骤（2)焙烧后得到的复合物放入I mol. L-I的氢氟酸溶液中（按照质量/体积 t匕（复合物：溶液）为1:10的比例)，搅拌24小时； (4) 将步骤（3)的混合物过滤，并不断用去离子水清洗至pH呈中性，然后空气中干燥， 即得到椭球状介孔碳。
[0028] 实施例3 一种椭球状介孔碳的制备方法，包括如下步骤： (1) 、称取蜂蜜15克，加入到10克椭球状介孔二氧化硅(长轴为1.3微米，短轴为0.61 微米，长轴与短轴之比即轴比为2. 36)中，搅拌均匀后放在50度空气中烘干，即得到蜂蜜 /二氧化硅复合物； (2) 、在氮气气氛中，将步骤（1)所得的蜂蜜/二氧化硅复合物置于马弗炉（DC-B8/11 型，北京独创科技有限公司）中从室温缓慢升温至l〇〇〇°C，并在该温度下焙烧12h后，自然 冷却至室温；即可得椭球状的碳/Si02微纳米粒子； (3) 、步骤（2)焙烧后得到的复合物放入2 mol. L-I的氢氧化钠溶液中（按照质量/体 积比（复合物：溶液）为1:10的比例)，搅拌24小时； (4) 将步骤（3)的混合物过滤，并不断用去离子水清洗至pH呈中性，然后空气中干燥， 即得到椭球状介孔碳。
【权利要求】
1. 一种具有较高的电化学性能，可用于超级电容器材料的椭球状介孔碳的制备方法， 其特征在于：采用椭球状介孔二氧化硅为硬模板剂，往其中孔道中填入液态油脂，烘干后， 在惰性气氛下碳化，然后除去二氧化硅，最后得到椭球状的介孔碳。
2. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述的椭球状介孔二 氧化硅，其长轴为0.45?4. O微米，短轴为0.3?0.8微米，长轴与短轴之比即轴比为 L 5 ?5. 0〇
3. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述的液态油脂为大 豆油、花生油、葵花籽油、蜂蜜、油菜籽油、棉花籽油的一种或两种以上的混合液。
4. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述的硬模板剂一椭 球状的介孔二氧化硅颗粒，其长轴为1.3微米，短轴为0.61微米，长轴与短轴之比即轴比 为 2. 36。
5. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述的制备过程中所 用的液态油脂与椭球状介孔二氧化硅之间的质量比为〇. 5-1. 5。
6. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述的烘干温度，其烘 干温度控制在18-50度之间。
7. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述碳化过程中的气 氛，碳化过程中采用惰性气氛即氮气或氩气保护。
8. 如权利要求1所述的椭球状介孔碳的制备方法，其特征在于：所述碳化过程中的碳 化温度，其碳化温度在400-1000度。
【文档编号】C01B31/02GK104211039SQ201310221922
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】沈绍典, 谷涛 申请人:无锡华臻新能源科技有限公司