一种多孔碳材料的制备方法及其用图
【专利摘要】本发明提供了一种多孔碳材料的制备方法及其用途，按照下述步骤进行：将乙酸钾放于镍坩埚，置于高温石英管式炉中，在惰性气流保护下，进行高温热解，经过热解后得到产物，用酸溶液洗去产物中的杂质，再将产物浸没于酸溶液中磁力搅拌，然后用大量去离子水将产物洗涤至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。制备的材料孔性结构良好，比表面积高、孔体积大，电化学性能良好，并且在其他方面也能得到应用。
【专利说明】
一种多孔碳材料的制备方法及其用途
技术领域
[0001]本发明属于超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种多孔碳材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]当今，快速发展的全球经济引发了严重的环境问题，并造成了化石燃料的过度消耗，这对人类的生存和发展构成了无比的威胁。因此，开发可持续清洁能源以及有效的能量转换和储存技术是本世纪面临的一个巨大挑战。超级电容器(又称电化学电容器)作为一种独特的电能存储设备，它是连接传统介质电容器和电池之间的重要桥梁，因此近年来受到世界范围内越来越多的重视，超级电容器能提供高于传统介质电容器几个数量级的能量密度，同时具有比电池更大的功率密度及更好的循环使用能力。可以想象到的大规模应用超级电容器的例子是储备太阳能、风能及其它再生能源用于电动交通工具的制动中。
[0003]超级电容器的电容主要来源于电极材料的表面反应，包括在电极与电解质界面的表面电荷分离(即双电层电容特性)和表面法拉第氧化还原反应(即赝电容特性)。电极材料通常被认为在超级电容器中起到了最重要的作用。在众多的电极材料中，碳材料的应用最广泛，市售的超级电容器中超过由其制造。由于其来源丰富、种类多样、比表面积大且导电性高，碳基超级电容器具有较高的功率密度、良好的循环可逆性同时具有极低的成本。
[0004]通常而言，超级电容器的电极碳材料需要存在多级孔结构碳材料，微孔增强电荷的储存能力，介孔的存在可以加速电极中离子的扩散以增强导电性，而大孔可以作为离子缓冲池。常规活化方法所制备的碳材料很难具有多级孔结构的特征。因此，克服目前已有的缺点发展一种相对简单的方法制备具有优良导电性能、合适孔隙率的碳材料用于超级电容器电极材料具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种利用有机小分子盐作为前躯体通过硅基模板调控制备有序的多级孔结构碳基电极材料的制备和调控工艺。以乙酸钾(CH3COOK)为原料，通过一步热解制备出具有比表面积高、孔容积大的有序孔结构碳材料，具备优良的化学性能。
[0006]本发明采用的技术方案是:
[0007]—种多孔碳材料的制备方法，按照下述步骤进行:
[0008]将乙酸钾放于镍坩祸，置于高温石英管式炉中，在惰性气流保护下，进行高温热解，经过热解后得到产物，用酸溶液洗去产物中的杂质，再将产物浸没于酸溶液中磁力搅拌，然后用大量去离子水将产物洗涤至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。
[0009]所述的惰性气流为N2，Ar的一种;流速为20?100mL/min。
[0010]所述的高温热解方式为:升温速率为3?8 °C/min，升温至700?900 °C，并在700?900°(:保持0.5?311。
[0011]所述的酸溶液为盐酸或硝酸，体积分数为5?10%，所述搅拌速率为200?100r/min，搅拌时间为2?6h。
[0012]所述的真空干燥温度为60?110°C，时间为6?24h。
[0013]所述多孔碳材料用于超级电容器电极材料。
[0014]本发明的有益效果是:
[0015](I)通过乙酸钾作为前躯体，原料来源丰富、价格低廉。
[0016](2)通过乙酸钾自身含有羧基的特殊结构自活化制备多级孔碳，省去了额外的活化步骤，具有重要的意义。
[0017](2)材料制备制备方法简单，操作性强，可以利用热解温度、升温速率等特性对材料特性进行调控。
[0018](3)制备的材料孔性结构良好，比表面积高、孔体积大，电化学性能良好，并且在其他方面也能得到应用。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1制得的碳材料的扫描电镜图；
[0020]图2为实施例1制得的碳材料根据他吸附-脱附等温线得到的孔径分布图；
[0021 ]图3为实施例1制得的碳材料的循环伏安曲线。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明:
[0023]实施例1
[0024]称取1g乙酸钾盐放于镍坩祸，置于高温石英管式炉中在Ar气流(气体流速为40mL/min)保护下，以5 °C/min的升温速率升温至800 °C，维持1.5h后自然冷却，经过热解后得到黑色的复合碳材料，然后加入过量10%HN03(v/v)溶液，使复合碳材料浸没，设定转速为500r/min磁力搅拌3h，然后用大量去离子水洗涤至中性，80°C真空干燥18h，即得到多孔碳材料。
[0025]将其用于超级电容器电极材料的测试方法是:
[0026]先将多孔碳材料经玛瑙研钵磨细至粒径小于30μπι的粉末，按质量比85:10: 5称取上述多孔碳、乙炔黑和聚偏氟乙稀(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)，加入适量N-甲基吡咯烷酮(N-Methyl pyrrolidone，NMP)充分混合调浆，将其均匀涂布在尺寸为1.2X2.0cm的泡沫镍上，待其干燥后，在手动油压机上以1MPa压力压覆制成电极，并进一步真空烘干待用。电极测试采用三电极体系，其中对电极为Pt片，参比电极为饱和甘汞电极(Hg/HgO)，采用6M KOH水溶液为电解液。
[0027]通过扫描图像(图1)可以看出，该材料呈不均匀块状，表面粗糙，散布有裂纹。根据氮气吸附-脱附等温线，该材料的BET比表面积为2144m2/g，孔体积为1.31cm3/g，其中，根据t-plot方法计算的微孔比表面积为1465m2/g，微孔容积为0.85cm3/g，具有明显的介孔结构(图2)，平均孔直径为2.88nm。将其用于电化学测试，图3是当扫描速率为10mV/S时的循环伏安曲线，可以看出材料具有较好的电化学循环性能。进一步地，该材料在IA/g电流密度下比电容为125.1F/g。
[0028]实施例2
[0029]称取1g乙酸钾盐放于镍坩祸，置于高温石英管式炉中在N2气流(气体流速为20mL/min)保护下，以3°C/min的升温速率升温至700°C，维持3h后自然冷却，经过热解后得到黑色的复合碳材料，然后加入过量5%HCl(v/v)溶液，使复合碳材料浸没，设定转速为lOOOr/min磁力搅拌2h，然后用大量去离子水洗涤至中性，60°C真空干燥24h，即得到多孔碳材料。
[0030]将其用于电化学测试，在lA/g电流密度下比电容为96.4F/g。
[0031]实施例3
[0032]称取1g乙酸钾盐放于镍坩祸，置于高温石英管式炉中在N2气流(气体流速为100mL/min)保护下，以8°C/min的升温速率升温至900°C，维持0.5h后自然冷却，经过热解后得到黑色的复合碳材料，然后加入过量7%HCl(v/v)溶液，使复合碳材料浸没，设定转速为200r/min磁力搅拌6h，然后用大量去离子水洗涤至中性，110°C真空干燥6h，即得到多孔碳材料。
[0033]将其用于电化学测试，在lA/g电流密度下比电容为102.9F/g。
【主权项】
1.一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行: 将乙酸钾放于镍坩祸，置于高温石英管式炉中，在惰性气流保护下，进行高温热解，经过热解后得到产物，用酸溶液洗去产物中的杂质，再将产物浸没于酸溶液中磁力搅拌，然后用大量去离子水将产物洗涤至中性，真空干燥即得到多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的惰性气流为N2，Ar 的一种；流速为 20 ?100mL/min。3.根据权利要求1所述的一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的高温热解方式为:升温速率为3?8°C/min，升温至700?900°C，并在700?900°C保持0.5?3h。4.根据权利要求1所述的一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的酸溶液为盐酸或硝酸，体积分数为5?10%，所述搅拌速率为200?1000r/min，搅拌时间为2?6h。5.根据权利要求1所述的一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的真空干燥温度为60?110°C，时间为6?24h。6.权利要求1?5任意一项所述的方法制备的多孔碳材料的用途，其特征在于，所述多孔碳材料用于超级电容器电极材料。
【文档编号】H01G11/24GK105845457SQ201610357629
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】何劲松, 戴江栋, 谢阿田, 田苏君, 张瑞龙, 常忠帅, 闫永胜
【申请人】江苏大学