一种富介孔碳材料及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种富介孔碳材料及其制备方法，属于材料领域。
【背景技术】
[0002]介孔碳材料是指具有介孔孔道结构的碳材料，其孔径在2nm到50nm，其具有相对均一的孔道结构，较窄的孔径分布及较高的比表面积和介孔孔容。因此，介孔碳材料在涉及大分子和大离子基团的吸附脱附，高的扩散速率问题时具有广阔的应用前景。在生物技术领域，介孔碳材料被用来吸附和分离有机大分子、生物大分子和重金属离子。介孔碳材料还可以用来净化环境，降解有机废物、进行气体吸附、汽车尾气处理以及水质净化。在能量转化领域，介孔碳材料可以被用来做催化剂的载体，制备高效的催化反应电极。特别是在能量存储领域，介孔碳材料作为吸附脱附大离子基团的双电层电容器电极材料具有先天优势。首先介孔碳材料拥有大比表面积，可吸附和容纳更多的载流子，提供更多的电化学反应活性位，意味着更高的比容量，其相对较大的孔道结构，有利于提高大离子基团(1 nm左右离子直径)的吸附脱附速率，实现电容器的大功率密度。其次，介孔碳材料的耐蚀性和耐高温的性能强，在有机电解液和离子液体电解液中电化学性质稳定，可以承受较高的电压，用来制造高电压储能器件，以满足高能量使用要求。再次，介孔碳材料通常具有高的电子电导率，能够承载较大的电流密度，在电极表面维持较高的电子迀移速率，可以在保证储能器件高功率密度的同时，不牺牲其容量。因此介孔碳材料被应用在锂离子电容器的双电层正极，有机系或离子液体双电层电容器的电极，均表现出较高的比容量和优异的循环性能。然而，介孔碳材料制备过程复杂，成本极高，基本都是通过先制作介孔模板，再加入碳前驱体的方法得到的。该介孔模板包括介孔二氧化硅(MCM-41、SBA-1、SBA-15、FDU-5等)、聚苯乙烯胶态粒子、Ce02纳米粒子、三嵌段的ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0共聚物等，这些牺牲模板在制备中无法重复利用，进一步增加了成本。因此，至今尚缺少一种规模化和工程化的技术来有效控制纳米碳材料的孔道结构，以确保大批量纳米碳材料产品在电化学性能上的一致性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于发明并制备一种低成本的富介孔碳材料，首先，其BET比表面积大于2000 m2/g，且大于1 nm的孔的孔容占总孔容的80%以上，且孔径分布窄，集中在l-5nm，其平均孔径在2-4 nm。其次，该材料的制备过程不依赖任何模板，原料来源广泛，制备方法简单，成本低廉，可工程化放大，并能够实现连续化生产。
[0004]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种富介孔碳材料，该碳材料是一种分级多孔三维结构的碳材料，其中含有微孔、介孔及大微孔组成，其大微孔和介孔的孔径为1-50 nmD
[0005]本发明的进一改进在于:介孔结构是由极薄的类石墨烯碳层堆积而成的三维结构。
[0006]本发明的进一改进在于:富介孔碳材料BET比表面积在3000-4000 m2/g，其大微孔和介孔的孔容占总孔容的80%以上，且孔径分布窄，集中在l_5nm，其平均孔径在2_4 nm。
[0007]本发明的进一改进在于:介孔结构是由极薄的类石墨烯碳层堆积而成的三维结构，其中，所述碳层是非晶态碳薄层或含有大量缺陷的类石墨烯薄层。
[0008]本发明的进一改进在于:富介孔碳材料由一种或多种含氮的高分子聚合物或其碳化产物经熔融盐法制得。
[0009]本发明的进一改进在于:熔融盐法是将含碳材料同熔融状态的盐混合，在500°C _1100°C的高温下反应10分钟-12小时后，获得富介孔碳材料。
[0010]本发明的进一改进在于:将一种或多种含氮的高分子聚合物在500-800°C碳化
0-180分钟，所得的碳化产物同熔融状态的盐按1:0.5-6的质量比混合，加热熔融，在500°C -1100°C的高温下反应10分钟-12小时后，冷却，采用离心机洗涤过滤，真空干燥后，获得富介孔碳材料。
[0011]本发明的进一改进在于:含氮高分子聚合物是由一种或多种含氮的单体聚合得到。
[0012]本发明的进一改进在于:碳化产物为含氮的聚合物经过高温热理后的产物，温度大于500 °C。
[0013]本发明的进一改进在于:熔融盐是氯化物、氢氧化物、碳酸盐、含氧离子液体中的一种或多种盐的混合。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点:本发明富介孔碳材料BET比表面积大于2000 m2/g，且大于1 nm的孔的孔容占总孔容的80%以上，且孔径分布窄，集中在l_5nm，其平均孔径在2-4 nm ;其次，该材料的制备过程不依赖任何模板，原料来源广泛，制备方法简单，成本低廉，可工程化放大，并能够实现连续化生产。
[0015]【附图说明】:
图1为该富介孔碳材料的三维碳层结构的透射电镜图。
[0016]图2为实例1中的富介孔碳材料的高倍率扫描电子显微图。
[0017]图3为实例1中的富介孔碳材料的孔径分布图，由氮气脱附曲线的数据经非局域密度泛函理论(NL-DFT)计算获得。
[0018]图4为实例2中的富介孔碳材料的扫描电子显微图。
[0019]图5为实例3中的富介孔碳材料的扫描电子显微图。
[0020]【具体实施方式】:
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]—种富介孔碳材料及其制备方法，该富介孔碳材料由一种或多种含氮的高分子聚合物或其碳化产物经熔融盐法制得，不依赖介孔模板。该碳材料是一种分级多孔三维结构的碳材料，其中含有少量微孔、大量介孔及少量大孔组成。其中的介孔结构是由极薄的类石墨稀碳层堆积而成的三维结构。该碳材料BET比表面积在2000-4000 m2