本发明涉及多孔碳材料
技术领域：
，尤其是涉及一种制备多孔碳材料的方法和多孔碳材料的应用。
背景技术：
：相关技术中，电容器例如超级电容器拥有极高的比容量和功率密度，目前所用到的电容器电极材料主要有活性炭、碳化物衍生碳、碳纳米管、石墨烯及多孔碳等碳材料。然而，电容器的发展面临着一系列的瓶颈，其突出的问题是能量密度过低，远低于电池的储能密度且工艺复杂。技术实现要素：本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备多孔碳材料的方法，该制备方法制得的多孔碳材料能量密度高且制作工艺简单、成本低。本发明的第二个目的在于提出了一种根据上述制备多孔碳材料的方法获得的多孔碳材料。本发明的第三个目的在于提出了上述多孔碳材料在制备电容器电极中的用途。本发明的第四个目的在于提出了一种由上述多孔碳材料制成的电容器电极。在本发明的第一方面，本发明提出一种制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：将煤样分离，得到疏中质组和密中质组；将所述疏中质组与所述密中质组混合均匀后浸渍涂抹在载体上，并进行第一干燥处理，得到第一样品；将所述第一样品放入第一溶剂中浸泡20min～60min，然后进行第二干燥处理，以便得到第二样品；将所述第二样品放入管式炉内，在惰性气体保护下，进行第一炭化处理，并自然降温至室温，以便得到少孔碳材料件；将所述少孔碳材料在第二溶剂中浸泡1h～3h，然后进行第三干燥处理，以便得到干燥的少孔碳材料；将所述干燥的少孔碳材料返回放入所述管式炉内，在所述惰性气体保护下进行第二炭化处理，并自然降温至室温，以便得到所述多孔碳材料。根据本发明的制备多孔碳材料的方法，具有如下优点：(1)密中质组和疏中质组在室温常压条件下通过煤全组分族分离方法即可以自然而高选择性地分离出来，原料来源简单、成本低廉，且可以对煤族组分“各尽其才”的高效合理的综合利用；(2)充分利用了密中质组和疏中质组的各自优点，即密中质组的粘结性能和疏中质组的炭化发泡性，避免了传统的制备方法中所用的高电阻粘结剂所带来的高电阻问题，并提供了高性能活化造孔的基础物质，其方法简单，不需密闭加压设备，节约成本，在本
技术领域：
内具有良好的实用性；(3)制备出的多孔碳材料具有较高的比表面积，理想的孔径分布，稳定的电化学性能，较高的比电容量，制作工艺简单，成本低廉。另外，根据本发明的制备多孔碳材料的方法还可以具有如下附件的技术特征：根据本发明的一些实施例，将所述疏中质组与所述密中质组混合前，还包括以下步骤：在室温下使用洗涤溶剂对分离出的所述疏中质组进行洗涤；在温度为50℃～110℃、相对湿度为20％～50％、流速为0.5m/s～2m/s的空气介质下对洗涤后的所述疏中质组干燥2h～100h；将干燥后的所述疏中质组研磨至100目～300目。根据本发明的一些实施例，所述疏中质组与所述密中质组的质量比为W1，所述W1满足：0.01≤W1≤0.04。根据本发明的实施例，所述载体为泡沫镍。根据本发明的实施例，在空气中自然干燥5mim～30min以便实现所述第一干燥处理。根据本发明的实施例，在常压、温度为100℃～110℃下进行所述第二干燥处理1h～3h。根据本发明的实施例，所述第一炭化处理包括：以升温速率3℃/min～8℃/min，升温至400℃～1000℃的炭化温度，并保持恒温1h～3h。根据本发明的实施例，在常压、温度100℃～110℃下进行所述第三干燥处理1h～3h。根据本发明的实施例，所述第二炭化处理包括：以升温速率3℃/min～8℃/min，升温至400℃～1000℃的炭化温度，并保持恒温1h～3h。根据本发明的一些实施例，所述第一溶剂为水或正己烷。根据本发明的一些实施例，所述惰性气体为氮气。根据本发明的一些实施例，所述第二溶剂为KOH溶液。根据本发明的一些实施例，所述KOH溶液中KOH与水的质量比为W2，所述W2满足：0.2≤W2≤1。根据本发明的一些实施例，所述洗涤溶剂为水。在本发明的第二方面，本发明提出一种多孔碳材料，其是由根据本发明上述第一方面的制备多孔碳材料的方法制备获得的。在本发明的第三方面，本发明提出上述第二方面的多孔碳材料在制备电容器电极中的用途。在本发明的第四方面，本发明提出一种电容器电极，其是利用上述第二方面的多孔碳材料制成的。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。根据本发明第一方面实施例的制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：将煤样分离，得到疏中质组和密中质组；将疏中质组与密中质组混合均匀后浸渍涂抹在载体上，并进行第一干燥处理，得到第一样品，具体地，可以将载体浸在疏中质组与密中质组的混合物中，以将疏中质组与密中质组的混合物均匀涂抹在载体上；将第一样品放入第一溶剂中浸泡20min～60min，然后进行第二干燥处理，以便得到第二样品；将第二样品放入管式炉内，在惰性气体保护下，进行第一炭化处理，并自然降温至室温，以便得到少孔碳材料；将少孔碳材料在第二溶剂中浸泡1h～3h，然后进行第三干燥处理，以便得到干燥的少孔材料；将干燥的少孔碳材料件返回放入管式炉内，在惰性气体保护下进行第二炭化处理，并自然降温至室温，以便得到多孔碳材料。具体的，煤样可以在自然条件下通过煤全组分族分离方法分离得到疏中质组和密中质组，煤全组分族分离方法的具体分离步骤如下：S1：对煤样进行萃取处理：将粒度为100目～300目的煤样置于萃取器中，然后加入混合溶剂，混合溶剂的体积与煤样的质量的比值为20ml/g～300ml/g，其中，混合溶剂可以为由溶剂A和溶剂B按体积比为1:0.2～1:2配制而成，将上述煤样与上述混合溶剂在室温下搅拌10min～300mim后，萃取过程完成，得到萃取固液混合物；S2：对步骤S1中得到的萃取固液混合物进行固液分离，分别得到萃取液和萃余物；S3：对步骤S2中得到的萃取液进行反萃取处理：将萃取液放入至反萃取器中，再向反萃取器中加入反萃取剂C，其中，萃取液与反萃取剂的体积比为1:0.1～1:2，将萃取液与反萃取剂在室温下搅拌5mim～60mim，反萃取过程结束，反萃取过程后得到反萃取固液混合物；S3：对步骤S2中得到的反萃取固液混合物进行处理，将反萃取固液混合物静置后进行固液分离，得到疏中质组；然后将下层液体经过常压旋蒸蒸去绝大部分溶剂得到密中质组。根据本发明的一些实施例，溶剂A可以为：二硫化碳、氯仿、二氯甲烷、苯、甲醇、苯酚、乙醚，但不限于此。溶剂可以B为：N-甲基-2-吡咯烷酮、环已酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、乙二胺、磷酸三乙脂、喹啉、吡啶，但不限于此。反萃取剂C可以为：水、正己烷，但不限于此。需要说明的是，在同一个工艺过程中，溶剂A、溶剂B和反萃取剂C必须选用三种不同的溶剂物质。其中，密中质组具有分子量中等、含有的芳香结构化合物多为2～4环、灰分很低或接近无灰、含有较多的脂肪族结构化合物的特点，在制备多孔碳材料的过程中起到粘结剂降低内阻的作用，同时也有活化造孔的作用。疏中质组具有分子量中等、主要含有芳香族结构化合物和较多的烷基侧链和环烷结构、密度低、炭化过程中易发泡、活化过程中易造孔的特点。具体地，疏中质组为固体状，密中质组为胶体状。根据本发明实施例的制备多孔碳材料的方法，具有如下优点：(1)密中质组和疏中质组在室温常压条件下通过煤全组分族分离方法即可以自然而高选择性地分离出来，原料来源简单、成本低廉，且可以对煤族组分“各尽其才”的高效合理的综合利用；(2)充分利用了密中质组和疏中质组的各自优点，即密中质组的粘结性能和疏中质组的炭化发泡性，避免了传统的制备方法中所用的高电阻粘结剂所带来的高电阻问题，并提供了高性能活化造孔的基础物质，其方法简单，不需密闭加压设备，节约成本，在本
技术领域：
内具有良好的实用性；(3)制备出的多孔碳材料具有较高的比表面积，理想的孔径分布，稳定的电化学性能，极高的比电容量，极高的能量密度，制作工艺简单，成本低廉。根据本发明的一些实施例，将疏中质组与密中质组混合前，还包括以下步骤：在室温下使用洗涤溶剂对分离出的疏中质组进行洗涤；在温度为50℃～110℃、相对湿度为20％～50％、流速为0.5m/s～2m/s的空气介质下对洗涤后的疏中质组干燥2h～100h；将干燥后的疏中质组研磨至100目～300目。由此，可以将残留在疏中质组表面的溶剂洗涤干净，且便于密中质组与疏中质组充分混合。根据本发明的一些实施例，疏中质组与密中质组的质量比为W1，W1满足：0.01≤W1≤0.04。例如，W1可以进一步满足：W1＝0.15、W1＝0.25、W1＝0.35、W1＝0.04等，但不限于此。由此，可以显著地提高多孔碳材料的性能。根据本发明的实施例，载体可以为泡沫镍，但不限于此。由此，可以提高多孔碳材料的导电性且材料成本低。根据本发明的实施例，可以在空气中自然干燥5mim～30min以便实现第一干燥处理。根据本发明的实施例，在常压、温度为100℃～110℃下进行第二干燥处理1h～3h。根据本发明的实施例，第一炭化处理包括：以升温速率3℃/min～8℃/min，升温至400℃～1000℃的炭化温度，并保持恒温1h～3h。根据本发明的实施例，在常压、温度100℃～110℃下进行第三干燥处理1h～3h。根据本发明的一些实施例，第二炭化处理包括：以升温速率3℃/min～8℃/min，升温至400℃～1000℃的炭化温度，并保持恒温1h～3h。根据本发明的一些实施例，第一溶剂可以为水或正己烷。具体地，第一溶剂可以为煤全组分族分离方法中的反萃取剂C。根据本发明的一些实施例，第二溶剂可以为KOH溶液，但不限于此。其中，KOH溶液中KOH与水的质量比为W2，所述W2满足：0.2≤W2≤1。由此，可以便于对少孔碳材料造孔，提高多孔碳材料的性能。根据本发明的一些实施例，洗涤溶剂为水，由此，可以将疏中质组表面残留的溶剂洗涤干净，且不会与疏中质组发生反应。可选地，惰性气体可以为氮气，但不限于此。下面描述根据本发明实施例的制备多孔碳材料的方法的两个具体实施例。实施例1根据本发明实施例的制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：将粒度为200目的煤样置于萃取器中，然后加入混合溶剂，混合溶剂的体积与煤样的质量的比值为20ml/g，其中，混合溶剂可以为由溶剂A和溶剂B按体积比为1:1配制而成，将煤样与上述混合溶剂在室温下搅拌120min后，萃取过程完成，得到萃取固液混合物；对萃取固液混合物进行固液分离，分别得到萃取液和萃余物；对萃取液进行反萃取处理：将萃取液放入至反萃取器中，再向反萃取器中加入反萃取剂C，其中，萃取液与反萃取剂C的体积比为1:1，将萃取液与反萃取剂C在室温下搅拌60mim，反萃取过程结束，反萃取过程后得到反萃取固液混合物；对反萃取固液混合物进行处理，将反萃取固液混合物静置后进行固液分离，得到疏中质组，然后将下层液体经过常压旋蒸蒸去绝大部分溶剂得到密中质组；在室温下用水对疏中质组进行洗涤，洗涤时间为1h；在温度50℃～110℃、相对湿度20％～50％、流速0.5m/s～2m/s的空气介质下将疏中质组干燥2h～100h；将干燥后的疏中质组研磨至200目后，按疏中质组与所述密中质组的质量比W1＝0.04混合均匀后浸渍涂抹于泡沫镍上，于空气中自然干燥120min，以便得到第一样品；将第一样品放入加入反萃取剂C的容器中浸泡120min后，在常压105℃下干燥120min，以便得到第二样品；将第二样品置于瓷舟内，并将瓷舟放入管式炉中一定位置，在惰性气体氮气的氛围中，以升温速率5℃/min，在570℃炭化温度下恒温1h，然后停止加热，在氮气保护下自然降温至200℃，关掉管式炉，自然冷却至室温得到少孔碳材料；将少孔碳材料分别浸泡在W2＝0.8、W2＝0.6、W2＝0.4的KOH溶液中2h，然后在常压105℃下干燥2h，以便得到干燥的少孔碳材料；将干燥后的少孔碳材料置于瓷舟返回放入管式炉中一定位置，在惰性气体氮气中，以升温速率7℃/min，在750℃炭化温度下恒温1h，然后停止加热，在惰性气体氮气保护下自然降温至200℃，关掉管式炉，自然冷却至室温得到多孔碳材料。其中，使用不同W2的KOH溶液制备的多孔碳材料的比电容分别为：W2比电容F/g0.8124.00.6175.10.4149.0实施例2根据本发明实施例的制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：将粒度为200目的煤样置于萃取器中，然后加入混合溶剂，混合溶剂的体积与煤样的质量的比值为20ml/g，其中，混合溶剂可以为由溶剂A和溶剂B按体积比为1:1配制而成，将煤样与上述混合溶剂在室温下搅拌120min后，萃取过程完成，得到萃取固液混合物；对萃取固液混合物进行固液分离，分别得到萃取液和萃余物；对萃取液进行反萃取处理：将萃取液放入至反萃取器中，再向反萃取器中加入反萃取剂C，其中，萃取液与反萃取剂C的体积比为1:1，将萃取液与反萃取剂C在室温下搅拌60mim，反萃取过程结束，反萃取过程后得到反萃取固液混合物；对反萃取固液混合物进行处理，将反萃取固液混合物静置后进行固液分离，得到疏中质组，然后将下层液体经过常压旋蒸蒸去绝大部分溶剂得到密中质组；在室温下用水对疏中质组进行洗涤，洗涤时间为1h；在温度50℃～110℃、相对湿度20％～50％、流速0.5m/s～2m/s的空气介质下将疏中质组干燥2h～100h；将干燥后的疏中质组研磨至200目后，分别按疏中质组与所述密中质组的质量比W1＝0.02、W1＝0.03和W1＝0.04混合均匀后浸渍涂抹于泡沫镍上，于空气中自然干燥120min，以便得到第一样品；将第一样品放入加入反萃取剂C的容器中浸泡120min后，在常压105℃下干燥120min，以便得到第二样品；将第二样品置于瓷舟内，并将瓷舟放入管式炉中一定位置，在惰性气体氮气的氛围中，以升温速率5℃/min，在570℃炭化温度下恒温1h，然后停止加热，在氮气保护下自然降温至200℃，关掉管式炉，自然冷却至室温得到少孔碳材料；将少孔碳材料浸泡在W2＝0.6的KOH溶液中2h,然后在常压105℃下干燥2h，以便得到干燥的少孔碳材料；将干燥后的少孔碳材料置于瓷舟返回放入管式炉中一定位置，在惰性气体氮气中，以升温速率7℃/min，在750℃炭化温度下恒温1h，然后停止加热，在惰性气体氮气保护下自然降温至200℃，关掉管式炉，自然冷却至室温得到多孔碳材料。其中，疏中质组与密中质组的不同质量比制备的多孔碳材料的比电容分别为：W1比电容F/g0.02166.60.03161.50.04173.6根据本发明实施例的制备多孔碳材料的方法，以泡沫镍为载体，将煤样通过族组分分离方法得到密中质组和疏中质组，利用疏中质组密度小、炭化发泡及活化易造孔的性质，密中质组粘结性大，能够起到粘连粘结剂的作用，以密中质组和疏中质组为原料，按一定比例将疏中质组粉末加入密中质组的胶体中混合均匀，浸渍涂抹于载体泡沫镍上，再加反萃取剂反萃使疏中质组和密中质组混合物粘连涂抹在泡沫镍载体上，疏中质组经炭化后发泡形成三维网络泡状结构，密中质组炭化后依然保持着良好的粘结性，在经过一定浓度的KOH活化造孔，制备出比表面积很大、电化学性质很好、比电容量高、能量密度高的多孔碳材料。在本发明的第二方面，本发明提出了一种多孔碳材料，该多孔碳材料是根据本发明上述第一方面实施例的制备多孔碳材料的方法制备获得的。该多孔碳材料具有的特征以及优点，在此不再赘述。在本发明的第三方面，本发明提出了多孔碳材料在制备电容器电极中的用途。其中，多孔碳材料为根据本发明上述第二方面实施例的多孔碳材料，其在制备电容器电极中的优点，在此不再赘述。在本发明的第四方面，本发明提出一种电容器电极，其是利用根据本发明上述第二方面实施例的多孔碳材料制成的。因此，该电容器电极具有多孔碳材料的特征及优点，在此不再赘述。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。当前第1页1 2 3