孔喉尺寸可调的胶体印迹碳CICs及其合成方法和应用与流程

本发明涉及一种碳材料的合成方法，具体涉及一种孔喉尺寸可调的胶体印迹碳cics的合成方法及其应用，属于新型多孔碳材料
技术领域：
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背景技术：
：多孔碳是一种用途广泛的材料，可作为电化学能量存储和转换器件的电极来使用，常被用作微孔层(mpl)、气体扩散层(gdl)以及聚合物电解质膜燃料电池(pemfcs)催化剂层(cl)中的碳载体。此外，多孔碳还被用于制造超级电容器、电池和电解电池(如水电解电池)的电极。在多孔材料的制备过程中，对其孔径分布、孔隙率、形貌和孔隙网络的控制一直是研究的热点。研究发现，限制电化学器件性能的主要因素之一是液体、离子和气体在多孔电极内的质量传输，这取决于多孔材料中的多孔网络结构。例如，许多建模研究对多孔介质中水和/或离子的转移进行了孔隙网络模拟，这些研究中的孔隙网络以大孔隙为特征，这些大孔隙通过孔颈或孔喉相互连接。胶体印迹碳(colloidimprintedcarbons，简写为cics)是一种具有有序球形孔结构、高孔体积和比表面积的介孔碳载体，可被用作聚合物电解质膜燃料电池电极的碳载体等。由于cics具有理想的、有序的、可调的、均匀的多孔结构，许多基础研究都将其作为多孔碳载体的模型。现有技术中，cics的制备是将硅溶胶模板与中间相沥青(mp)和聚偏氯乙烯-共氯乙烯等碳前驱体混合，在印迹过程中，mp填充有序结构的二氧化硅颗粒之间的空隙，然后碳化并在强碱中溶解。这种方法可以通过选择相应粒径的硅溶胶来控制cic的孔径，但所产生的孔是通过墨水瓶形状的孔喉连接的。这些孔喉形成于两个相邻球形孔之间的连接处，可以通过解吸分支的孔径分布来测量。进入大孔隙的通道受到小孔喉的限制，每个大球形孔隙有12个孔喉连接大孔隙，这些孔喉将限制液体(如水)、离子和气体通过cic的大孔隙的运输。检测发现，孔喉的存在减缓了液体通过介孔二氧化硅的渗透速率，而且，当大孔隙与孔喉之间的直径差增大时，液体通过多孔介质的扩散电阻率增大。在我们之前的工作中，亦发现cics的孔喉尺寸对电池等整体性能具有较大影响，但目前尚无相关的研究，因此，对于cics的孔喉调控研究是本领域的难点和重点。技术实现要素：为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种胶体印迹碳(cics)，同时公布了在保持其多孔微观有序结构的基础上调控其孔喉尺寸的方法。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种孔喉尺寸可调的cics，其表达式为：cic-x-y，其中，x为孔喉尺寸大小，y为产品的孔径尺寸大小；当y取值为50nm时，x取值为21-27nm，即孔喉尺寸可在此数值范围内调控；当y取值为85nm时，x取值为28-33nm，即孔喉尺寸可在此数值范围内调控。本发明主要公布了前述的孔喉尺寸可调的cics的合成方法，包括如下步骤：s1、将二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；s2、将不同浓度的正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物；s3、将第一混合物于50～80℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，然后再次烘干，得硅粉；该步骤可利用空气中水蒸气使teos水解，至关重要；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛中，先对第二混合物进行加热处理，然后再进行碳化处理，得到固体产物；s6、将固体产物在naoh溶液中回流处理24～48h，以去除sio2模板并形成纳米孔，因此，改变二氧化硅溶胶中的二氧化硅粒径可调节最后产物的孔径大小；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的目标产物cic-x-y。优选地，前述二氧化硅溶胶中的二氧化硅模板粒径为50nm或85nm。更优选地，前述碳前驱体为中间相沥青。再优选地，前述步骤s5的具体处理过程为：在保护气氛中，于300～500℃下对第二混合物加热处理1～5h，冷却至室温后，再逐步升温至800～1200℃下碳化处理1～8h。进一步优选地，前述步骤s5的具体处理过程为：在保护气氛中，于400℃下对第二混合物加热处理2h，冷却至室温后，再逐步升温至900℃下碳化处理2h。更进一步优选地，前述保护气氛为氮气，防止高温条件下发生氧化反应，影响后续目标产物的性能。再进一步优选地，前述步骤s5中，升温速率为5℃/min。更进一步优选地，前述步骤s6中，naoh溶液的摩尔浓度为3m。再进一步优选地，前述正硅酸乙酯的乙醇分散溶液中，正硅酸乙酯的质量浓度为0～15wt.％，通过加入不同质量含量的正硅酸乙酯，即可实现对孔喉尺寸的调控。本发明所述的方法制得的孔喉尺寸可调的cics材料电学性能优异，在超级电容器电极中具有良好的应用前景。本发明的有益之处在于：(1)本发明以cic-85和cic-50为实施例，在确保不影响孔径、孔结构和元素组成的基础上，采用特殊工艺合成了不同孔喉尺寸的胶体印迹碳(cics)，实现了对cics孔喉尺寸的调控；(2)经验证，本发明的方法可成功地将cic-50的孔喉尺寸扩大6nm，cic-85的孔喉尺寸扩大5nm；且孔喉尺寸的调整对于cic材料的表面积影响很小；(3)cic孔喉尺寸的截面积与通道内离子扩散速度呈线性关系，因此调整孔喉尺寸对于材料得电学性能具有重要的正面影响；而且，本发明的提出的cics的三维模型，与3d-tem观察到的三维结构相一致，且cic材料的多孔性、形态和电化学性能之间有很好的一致性。附图说明图1是本发明的产物的扫描电子显微镜(fe-sem)检测图；图2的m-o分别为实施例6-8的模型图；图3中a和b分别为cic-50和cic-85的n2气体吸附等温线；c和d分别为用bjh理论得到的cic-50和cic-85解吸孔径分布(孔喉尺寸)图；图4中a和b分别为cic-50和cic-85的不同孔喉尺寸的循环伏安曲线图(cv)；c和d分别为cic-50和cic-85材料的孔喉横截面积(csa)与松弛时间常数的倒数关系图；图5为cic-50材料孔颈横截面积变化与离子扩散示意图；图6为归一化复电容与频率的关系曲线图；图7为归一化电容c″/c0相对于频率的曲线图；图8为c′/c0相对于频率的曲线图。具体实施方式本发明公布了一种独特的cics材料的合成方法，通过对工艺的调控可实现cics孔喉尺寸的调控，下面结合附图和多个具体实施例对本发明作进一步的具体介绍。实施例1本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为50nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；s2、将乙醇溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物；s3、将第一混合物于50℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于300℃下对第二混合物加热处理2h，冷却至室温，再逐步升温至800℃下碳化处理4h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理24h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例2本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为50nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；s2、将正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物，其中正硅酸乙酯的质量浓度为4.96wt.％；s3、将第一混合物于80℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于400℃下对第二混合物加热处理2h，冷却至室温，再逐步升温至900℃下碳化处理2h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理36h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例3本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为50nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；s2、将正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物，其中正硅酸乙酯的质量浓度为8.67wt.％；s3、将第一混合物于60℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于500℃下对第二混合物加热处理5h，冷却至室温，再逐步升温至1200℃下碳化处理3h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理24h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例4本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为50nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；s2、将正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物，其中正硅酸乙酯的质量浓度为13.3wt.％；s3、将第一混合物于80℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于300℃下对第二混合物加热处理5h，冷却至室温，再逐步升温至800℃下碳化处理2h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理48h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例5本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为85nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；s2、将乙醇溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物；s3、将第一混合物于60℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于300℃下对第二混合物加热处理5h，冷却至室温，再逐步升温至800℃下碳化处理8h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理48h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例6本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为85nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，并继续烘干；s2、将正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物，其中正硅酸乙酯的质量浓度为2.24wt.％；s3、将第一混合物于50℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于400℃下对第二混合物加热处理2h，冷却至室温，再逐步升温至900℃下碳化处理2h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理36h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例7本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为85nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，并继续烘干；s2、将正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物，其中正硅酸乙酯的质量浓度为4.96wt.％；s3、将第一混合物于80℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于500℃下对第二混合物加热处理2h，冷却至室温，再逐步升温至1200℃下碳化处理2h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理24h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。实施例8本实施例的具体工艺过程如下：s1、将粒径为85nm的二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，并继续烘干；s2、将正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物，其中正硅酸乙酯的质量浓度为13.3wt.％；s3、将第一混合物于60℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，利用空气中水蒸气使teos水解，然后再次烘干，得硅粉；s4、将烘干后的硅粉与碳前驱体(中间相沥青mp)混合，得到第二混合物；s5、在保护气氛氮气环境下，于400℃下对第二混合物加热处理2h，冷却至室温，再逐步升温至900℃下碳化处理2h，升温速率为5℃/min；s6、将固体产物在3m的naoh溶液中回流处理48h，以去除sio2模板并形成纳米孔；s7、最后，用稀释的盐酸洗涤产物，再用水洗净至滤液为中性，烘干即得本发明的产物。在以上实施例1～实施例8中，步骤s1中所用的二氧化硅溶胶中的二氧化硅模板粒径为50nm或85nm，则相应地可制得孔径为50nm或85nm的cics产物。在实际制备过程中，如要制备出其他孔径的产品，通过调节模板剂的粒径即可实现，这是很容易理解的，因此，其他孔径范围的产品也必然落入本发明的保护范围中，此处不做赘述。性能检测(一)形貌检测通过场发射扫描电子显微镜(fe-sem)和透射电镜(tem)对cics的多孔结构和形貌进行了测试。具体的测试方法为：(1)fe-sem：将粉末沉积在导电胶粘碳带上，利用场发射扫描电子显微镜(fe-sem)对实施例1-实施例8所得产物cics的多孔结构和形貌进行了测试。测试设备和条件为zeisssigmavpfe-sem在8kv加速电压下进行调整，使用inlens探测器采集电子信号。(2)tem：将cics粉末分散于乙醇中制备成悬浮液，超声分散5min，将悬浮液滴在tem碳涂层铜栅格的一侧，用透射电镜(tem)表征了cic-85和cic-50的形貌和孔结构。测试设备和条件为：卡尔加里大学显微镜和成像设施(健康科学中心)中的tecnaitf20g2feg-tem(fei,hillsboro,or,usa)，以及fischione2040双轴断层扫描支架(fischioneinstruments,export,pa,usa)。图1所示为cic-50和cic-85的fesem图，图中的大圈代表孔径大小，小圈代表喉部尺寸。从图中可见，产品内部具有均匀有序的多孔结构。图1中的a-f为不同喉部尺寸的cic-50的fesem图，其中，a和d为实施例1，b和e为实施例2，c和f为实施例4。图1中的g-l为不同喉部尺寸的cic-85的fesem图，其中，g和j为实施例6，h和k为实施例7，i和l为实施例8。孔喉尺寸的具体数据参见下表1。在本发明中，cics的命名规则为：cic-x-y，其中x为孔喉尺寸大小(nm)，y为产品的孔径尺寸大小(nm)，如cic-25-50即表示孔径为50nm，连接大孔的孔喉尺寸为25nm。序号teos浓度(wt.％)实施例产物实施例10.00cic-21-50实施例24.96cic-23-50实施例38.67cic-25-50实施例413.3cic-27-50实施例50.00cic-28-85实施例62.24cic-29-85实施例74.96cic-31-85实施例813.3cic-33-85表1实施例1-8中所得产物列表经检测，申请人惊奇地发现，在制备过程中，通过调整正硅酸乙酯的乙醇分散溶液中正硅酸乙酯的质量浓度，可实现对cics孔喉尺寸的调控，所得目标产物的表达式见上表1。图2的三维示意图m-o分别为实施例6-8的模型图，由图可见，孔喉尺寸的增加并不会导致孔隙结构发生显著变化。此外，需要说明的是，在fesem图像中，每个大孔(50/85)的颈数(喉部数量)是不同的，每个大孔连接2-4个孔喉，具体数量取决于孔的切割方式和方向，在图2的三维示意图中根据孔切度和视角展示了各孔所连接的不同数量的孔喉。(二)元素分析为了测定各实施例的不同孔喉尺寸的cic-50和cic-85产品中的c、h、o质量百分含量，采用燃烧分析法进行元素分析，具体分析结果见下表2。序号c(％)h(％)o(％)实施例196.70.92.4实施例296.80.92.3实施例396.70.92.4实施例496.81.02.2实施例596.90.82.2实施例697.51.01.5实施例796.60.82.6实施例896.80.92.3表2各实施例产品的元素含量分析由上可见，本发明各实施例中所得产物符合cics的元素组成，c为主要元素，是一种新型的碳材料。(三)氮气吸附/解析法检测样品的比表面积、孔径大小分布和孔体积图3展示的是本发明的各实施例所制得的cics孔隙结构。其中，图3中a和b分别为cic-50和cic-85的n2气体吸附等温线；c和d分别为用bjh理论得到的cic-50和cic-85解吸孔径分布(孔喉尺寸)。具体的检测结果汇总至下表3：表3实施例1-8的cics产品的结构特性其中，sbet为总表面积，sexternal为外表面积，smicro为微孔表面积，vnsi为孔体积，vmicro为微孔体积。由上表分析可知，cic-50和cic-85的比表面积、外表面积、微孔表面积(smmicro)、总孔体积(vnsi)和微孔体积(vmicro)均随孔喉尺寸的变化而发生显著变化。结合图3分析可知，在a和b的n2吸附等温线中观察到滞后环，表明cics多孔结构内的气体传输速度受狭窄的喉部尺寸和截面积的限制；而且，在n2吸附过程中，大的孔隙在吸附过程中被填满，在解吸过程中一直持续被n2填满，直到达到足够低的气压，才通过孔喉排空。也就是说，cics的解吸气压取决于孔喉尺寸，当孔喉尺寸增大时，吸附的n2会在相对较高的压力下排出。在图3的a图中，随着孔喉尺寸的增加，cic-50的n2吸附等温线中解吸环迁移到更高的相对压力下。随着孔喉尺寸从21nm增加到27nm，相对压力从0.92增加到0.94。在b图中，随着孔喉尺寸的增加，得到与a图相似的结果，当孔喉尺寸从28nm增大到33nm时，解吸相对压力从0.94增大到0.95。以上分析直接表明：cics多孔结构内的气体传输情况受狭窄的喉部尺寸和截面积的限制。同时，图c图和d图分别为用bjh理论得到的cic-50和cic-85的孔喉尺寸，与上述各分析结果相佐证。因此，图3中各实施例的气体吸附等温线和解吸过程验证了通过本发明的方法能够成功地拓宽孔喉尺寸。此外，由于cic-85的孔径比cic-50的孔径大，这导致cic-85在较高的相对压力值下出现滞后环。而且，两种cics材料的n2吸附等温线均表现为iv型，cic-50和cic-85吸附等温线出现的滞后环均为h1型滞后，根据iupac分类表明cic-50的孔径均匀度和孔隙连通性更好。(四)电化学表征采用三电极电化学电池进行电化学阻抗谱(eis)和循环伏安法(cv)分析样品的电化学性能。检测过程中，pt电极和可逆参比电极(rhe)分别用作计数电极和参比电极，在玻碳电极表面沉积颈部尺寸调控的cic-50和cic-85涂层作为工作电极。cic涂层的具体制备方法如下：将0.01gcic粉末和0.1g质量浓度为12％的h2so4/h2o溶液混合超声处理5分钟，然后加入0.4g0.3wt％的nafion/etoh(乙醇)，最后超声处理1小时。将14μl的涂层滴涂至一个干净的玻璃碳棒表面(直径7毫米)。为清洁玻璃碳棒表面，首先使用1μm和0.03μm的氧化铝料浆进行抛光，然后用水和etoh冲洗，测试前将涂层在0.5m的h2so4中风干。循环伏安法的测量参数为：电压10mv/s，电位窗口0.05～1.0v。在电位为0.4vvs.rhe、频率范围为100khz至10mhz、振幅为10mv的情况下，对不同孔喉尺寸的cics进行了eis分析。所有的eis数据均在室温下使用sp-150恒电位器(bio-logicsas)收集。对于cics来说，在孔喉尺寸更大时可以更好地满足离子迁移，作为超级电容器电极使用的cic材料，其大的球形孔与孔喉之间的尺寸差异会影响离子的扩散速率，从而降低功率密度。在此，我们首次通过在0.5m的h2so4中对不同孔喉尺寸的cics进行电化学测试，研究了孔颈横截面积对离子扩散的影响。图4中a和b分别为cic-50和cic-85的不同孔喉尺寸的循环伏安曲线图(cv)。采用双层电容cic-21-50>cic-23-50>cic-27-50，检测发现其性能与前述表2中所讨论的表面积趋势是一致的。一般来说，cic-50的双层电容要高于cic-85的双层电容，这归因于cic-50比cic-85具有更大的比表面积，我们在之前的研究中也发现：增加比表面积会增加cic的双层电容，本发明的研究成果与之不谋而合。图5通过模型展示了cic-50材料孔颈横截面积变化及离子扩散示意图，由图可见，当横截面积扩大时，离子扩散速度必然加快。为了研究孔喉大小对离子扩散速率的影响，引入复电容模型，使用电化学阻抗谱分析得到不同孔喉尺寸的cic材料的松弛时间常数(τ0)。复电容的计算依据如下公式：其中，c’(ω)为实部电容，c”(ω)为虚部电容，z’(ω)和z”(ω)分别为复数阻抗的实部和虚部，|z(ω)|2＝|z'(ω)|2+|z”(ω)|2，ω是角频率，ω＝2πf,f是频率(单位赫兹)。在计算得到复电容数值后，绘制归一化复电容与频率的关系曲线图，即图6，即可不同孔喉尺寸的cic材料的松弛时间常数(τ0)。在收集频率范围为100khz～10mhz的虚阻抗和实阻抗后，根据上面的公式(1)计算相应的虚电容(c″)和实电容(c′)，得到归一化电容c″/c0(其中c0是最低频率的电容)相对于频率的曲线图，如图7，当虚部电容达到最大值时，即为τ0的位置。如图8所示，f0表示在实际电容一半处的频率，这个频率(f0)标志着电阻阻抗和电容阻抗相等的点，超级电容在频率高于f0时更具电阻性。充放电频率越高，离子扩散速率越快，因此产品cic-27-50的电学性能最优。松弛时间常数(τ0)是整个电学器件的一个重要参数，是指效率高于50％的超级电容器释放所有能量所需的最小时间。松弛时间常数向较低值的偏移表明超级电容器的功率响应增强。不同孔喉尺寸的cic-50和cic-85产品的松弛时间常数通过c′/c0与频率的关系图来确定，如图8所示，具体的数值参见下表4。序号双层电容(dlc)/(f/g)松弛时间常数(秒)cic-21-5035.80.67cic-23-5031.60.53cic-27-5027.40.37cic-29-8524.70.43cic-31-8523.70.37cic-33-8523.70.32表4各实施例与双层电容和松弛时间常数关系表图4中c和d分别为cic-50和cic-85材料的孔喉横截面积(csa)与松弛时间常数的倒数关系。令人惊讶的是，研究表明，孔喉横截面积与时间常数之间呈线性关系，例如，当cic-50孔喉的横截面积增加了两倍时，对松弛时间常数(τ0)产生重大影响，当孔喉尺寸从21nm增加到27nm时，时间常数的值从0.63秒下降到0.32秒(c和d分别为cic-21-50和cic-27-50产品)。因此，假设相同的离子浓度存在于cic的孔隙中，增加孔喉的横截面面积的会为离子扩散提供更大的空间，因此离子扩散速度会提高。在超级电容器、电池和燃料电池等大部分电化学器件中，传输质量是非常关键的，具体包括离子传输和气体扩散。例如，超级电容器(sc)设备需要高功率，因此，快速充放电率至关重要。高比表面积的纳米多孔碳(如炭黑)通常作为sc系统的工作电极。在sc中的充电和放电过程中，离子移动到带相反电荷的电极是通过外部电路的移动来实现的。与平面表面不同的是，在纳米多孔电极上建立双层传输是很困难的，它们不能像在电极材料的孔隙中那样在大块电解质中移动。因而，孔喉的大小是影响离子进入孔径的迁移率的因素之一，过小的孔喉会使孔变得难以进入，不利于形成双层电容。这也是本发明中对cics的孔喉尺寸进行技术攻关的重大意义所在。综上，本发明公布的cics的合成方法能够实现对孔喉尺寸的调控，对材料的孔径和元素组成均无影响，孔喉的截面积与孔内离子扩散速度呈线性关系，因此孔喉尺寸的调控对于电学性能的探索优化具有至关重要的影响。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。当前第1页12