来源于叶片的多孔碳基材料及其制备方法与流程

本发明属于材料合成领域，涉及多孔碳基材料及其制备方法，尤其涉及一种高比表面积的多孔碳基材料及其制备方法。

背景技术：

锰酸锂的原料资源丰富，价格低廉，具有优良的热稳定性和耐过充性能，可作为电动车和电动工具等动力电源的正极材料。但是尖晶石锰酸锂在循环过程和高温条件下(55℃)的容量衰减过快，是制约它进一步市场化的主要因素。导致锰酸锂循环性能差的主要因素是：mn在电解质中的溶解、电解液的分解和john-teller效应。通过优化合成工艺以得到具有高电压、高密度、高比容量锰酸锂电池是现如今的锂离子电池正极材料发展的总体方向。

现有技术中，专利文献cn103825013a公开了一种四氧化三锰生产高温型锰酸锂的方法，所述锰酸锂制备过程采用四氧化三锰和碳酸锂为主要原料，并按锂锰配料摩尔比0.52-0.60，添加剂对应成品质量百分比为0.1％-1％，经过生料混合、一次烧结、一次粉碎、水洗与干燥、二次烧结、分级和混合、过筛、除铁、包装，其合成过程复杂。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种来源于多孔碳基材料及其制备方法。本发明的方法通过银杏叶碳基原料，利用简易的工艺，提取出具有高比表面积等优异空间性能的碳基材料。本发明优势在于：合成过程简单；同时在实验过程中，我们的材料仅需要按照比例添加，并没有具体操作细节要求，在实验步骤上更为简练；在电极材料的表现效果上，本发明的高性能锰酸锂电极材料在电池循环的测试中，首圈容量达到115mahg-1以上，优于专利文献cn103825013a中公开的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种来源于叶片的多孔碳基材料，由天然银杏树叶在预处理后，经过高温下烘焙而得，其比表面积达到417m²/g,总孔体积达到0.2866ml/g,平均孔直径达到2.74nm。当预处理不当，会降低比表面积等空间性能；当碳化温度过大或者碳化时间过长，会导致多孔结构坍塌，降低比表面积等空间性能；当碳化温度过低或者碳化时间过短，会导致碳化程度降低，影响其机械性能与电导率等。

本发明还提供了一种上述多孔碳基材料的制备方法，包括以下步骤：

a、将银杏叶用水清洗；

b、将洗净的银杏叶进行预处理，得到前驱物a；

c、将前驱物a清洗干净并干燥后，高温碳化处理得到黑色固体b；

d、将黑色固体b进行球磨处理，并用盐酸与纯水洗涤即得多孔碳基材料。

优选地，所述的预处理具体为：将银杏叶剪碎后再磁力搅拌下用盐酸溶液或碱溶液处理，然后过滤、洗涤，得前驱物a。

更优选地，用盐酸溶液或碱溶液处理的步骤中，所述盐酸溶液的浓度为1～2mol/l；所述碱溶液优选氢氧化钠溶液；所称处理时间为10-14h。

优选地，所述碳化处理具体包括：惰性气氛下，700-1000℃碳化处理3-6小时。当碳化温度过大或者碳化时间过长，会导致多孔结构坍塌，降低比表面积等空间性能；当碳化温度过低或者碳化时间过短，会导致碳化程度降低，影响其机械性能与电导率等。

优选地，所述球磨处理采用400r。

银杏叶制备多孔碳基材料中，用盐酸或氢氧化钠处理的目的是去除银杏叶中的矿物质及杂质，球磨处理的目的是细化碳材料，拓展其应用，如负载活性物。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、在制备多孔碳基材料的过程中，直接将天然银杏叶进行碳化，保留了天然有机物自身的碳骨架；

2、由于本专利采用天然银杏叶作为来源制备多孔碳基，过程简单，叶片来源广泛，故专利设计具有成本低，制备简易，适合放大等优点；

3、由于本专利制备的碳基材料具有比表面积大等诸多优异空间性能，同时本身具有良好的导电性，其应用潜力巨大，例如可以用于电极材料的改性与复合。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料在200微米尺度的sem表征图；

图2为本发明制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料在0.5微米的sem表征图；

图3为利用本发明制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料搭载四氧化三锰制成锂离子电池负极材料的充放电性能；

图4为不使用本发明制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料搭载四氧化三锰制成锂离子电池负极材料的充放电性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下各实施例的一种来源于叶片的多孔碳基材料的基本制备原理为：先将银杏树叶经过预处理液清洗，高温碳化后，做表面处理并球磨，最后用盐酸与纯水进行洗涤，得到所述多孔碳基材料。

实施例1

本实施例提供了一种来源于叶片的多孔碳基材料及其制备方法，所述的一种来源于叶片的多孔碳基材料在高温环境下反应制得，比表面积达到417m²/g,总孔体积达到0.2866ml/g,平均孔直径达到2.74nm。其制备步骤如下：

1、采用电子天平称取500mg的银杏树叶在磁力搅拌下用1mol/l的盐酸处理12h；

2、将上述材料过滤后，分别用乙醇和水清洗3次，并干燥；

3、将产物900℃处理180min，完成碳化，得到黑色碳材料；

4、将上述产物进行用表面活性剂处理后，进行球磨；

5、浸泡在100ml浓度为0.5mol/l的盐酸中120min后用纯水清洗3次；

6、干燥后得到多孔碳基材料。

将所制得的试样进行各项特性测试，结果参见图1、2：

图1为制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料在200微米尺度下的sem表征图；

图2为制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料在0.5微米尺度下的sem表征图。

实施例2

本实施例提供了一种来源于叶片的多孔碳基材料及其制备方法，所述的一种来源于叶片的多孔碳基材料在高温环境下反应制得，比表面积达到417m²/g,总孔体积达到0.2866ml/g,平均孔直径达到2.74nm。其制备步骤如下：

1、采用电子天平称取500mg的银杏树叶在磁力搅拌下用2mol/l的盐酸处理12h；

2、将上述材料过滤后，分别用乙醇和水清洗3次，并干燥；

3、将产物900℃处理240min，完成碳化，得到黑色碳材料；

4、将上述产物进行用表面活性剂处理后，进行球磨；

5、浸泡在100ml浓度为0.5mol/l的盐酸中120min后用纯水清洗3次；

6、干燥后得到多孔碳基材料。

7、将碳基材料分散在一定浓度的乙酸锰与氢氧化钾的乙醇溶液中，反应24小时；

8、将上述乙醇分散液抽滤分离，并洗涤干燥，得到在多孔碳基上搭载四氧化三锰的锂离子电池负极复合材料。

本实施例制得的一种来源于叶片的多孔碳基材料的各项特性测试结果与实施例1相同。

图3为所得的在多孔碳基上搭载四氧化三锰的锂离子电池负极复合材料的充放电性能，50次循环后，容量大于450mahg^-1。

对比例1

本对比例提供了一种来源于叶片的多孔碳基材料的制备方法，与实施例1相同，不同之处仅在于：本对比例中采用的碳化时间为480min。由此制备的多孔碳基材料比表面积为250.7986m²/g，总孔体积为0.1621ml/l，平均孔直径为2.59nm。

对比例2

本对比例提供了一种来源于叶片的多孔碳基材料的制备方法，与实施例1相同，不同之处仅在于：本对比例中不经过预处理。由此制备的多孔碳基材料比表面积为80.5090m²/g，总孔体积为0.0845ml/l，平均孔直径为4.2nm。

对比例3

本对比例提供了一种来源于叶片的多孔碳基材料的制备方法，与实施例2相同，不同之处仅在于：本对比例中在制备锂离子电池负极材料时不添加碳基材料。由此制备的高性能锰酸锂电极材料的性能如图4所示，50次循环后，可逆容量小于200mahg^-1。

综上所述，本专利所采用银杏叶作为碳源，银杏叶独特的生物结构，使其碳化后形成的碳材料具有天然且规则的三维立体多孔结构，具有高比表面积等优异的空间性能，多孔碳基在锂离子电池四氧化三锰负极的制备中有明显的优化作用，具有较好的创新性。由于本专利采用天然银杏叶作为仿生模板来制备三维多孔碳，因此本专利设计具有成本低，过程简易，适合放大等优点。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。