碳分子筛、制备方法、电极、电池及超级电容器

1.本发明属于碳材料技术领域，涉及一种具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法以及其在电极、电池及超级电容器应用领域的使用。


背景技术：

2.碳分子筛是一类具有规整孔结构的碳材料的统称，使用沸石分子筛作为硬模板制备的碳分子筛具有沸石分子筛模板的规整微孔孔道，有望在吸附、电池、电容器、电催化等领域得到广泛应用。目前此类碳分子筛的制备方法主要包括真空浸渍法、化学气相沉积法(cvd法)及真空浸渍法和cvd法耦合的两步法。其中，真空浸渍法制备步骤简单，但制备的碳分子筛规整度较差，比表面积较低；两步法制备步骤复杂，但制备的样品具有规整的微孔结构和高的比表面积；cvd法则介于两者之间。因此，目前的制备技术无法同时满足良好的材料性能和制备适用性方面的要求，制备技术的不足极大地限制了该类型碳分子筛的发展。


技术实现要素：

3.针对当前制备的碳分子筛孔道不规整、比表面积低的问题，本发明提供了一种具有超高比表面积的碳分子筛制备方法并延伸了其在电极、电池及超级电容器方面的应用。
4.本发明的目的在于提供一种具有超高比表面积的碳分子筛。所述超高比表面积的碳分子筛的制备方法包括：将分子筛模板置于一定压力下的饱和碳源蒸汽中，吸收得到混合物；
5.使用三甲苯将混合物外表的碳源清洗干净，并将剩余的三甲苯蒸发；
6.将清洗过后的混合物转移至管式炉中，在氮气氛围下升温并保温，得到中间体；
7.使用酸液将中间体中的分子筛模板移除，清洗并干燥后得到最终的产物。
8.进一步，分子筛模板为具有以下结构的分子筛中的一种：fau、emt、bph、cha、bea。
9.进一步，碳源为下列物质中的一种：糠醇、甲酰胺、乙二胺。
10.进一步，分子筛模板用量为0.5-10g，饱和碳源蒸汽的压力为10kpa-100 kpa。
11.进一步，将清洗过后的混合物转移至管式炉中，在氮气氛围下100-200℃反应2-10h后，升温至600-1000℃反应2-10h。
12.进一步，使用酸液的配比为hf：hcl＝1：0～1：1。
13.本发明的另一目的在于提供一种电极材料，所述电极材料由所述具有超高比表面积的碳分子筛材料与粘结剂以及乙炔黑混合均匀制浆，以覆碳铜箔为集流体，压片后制备得到电极；碳分子筛：粘结剂：乙炔黑的比例为8：1：1-9：0.5：0.5。
14.本发明的另一目的在于提供一种电池，所述的电池使用所述的电极。
15.本发明的另一目的在于提供一种超级电容器，所述超级电容器使用所述的电极。
16.结合上述所有的技术方案本发明所具备的优点和积极效果为：本发明根据碳材料自身特点，选取合适的碳源，利用真空蒸汽沉积的原理得到了结构完整，孔道均一，具有超高比表面积的碳分子筛，制备的碳分子筛表现出了优异的结构完成度、超高的比表面积、规
整的微孔结构。
17.本发明首次提出真空蒸汽浸渍法用于制备碳分子筛；该方法制备的碳分子筛具有规整的微孔结构和超高的比表面积；制备方法操作简便。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明实施例提供的具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法流程图。
20.图2是本发明实施例提供的具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法示意图。
21.图3是本发明实施例提供的制备的材料的扫描电镜图和透射电镜图。
22.图4是本发明实施例提供的制备的材料的氮气吸附－脱附曲线和孔径分布图。
23.图5是本发明实施例提供的制备的材料的性能表征。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明做进一步详细说明，并不是对本发明的限定。
25.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有超高比表面积的碳分子筛、制备方法、电极、电池及超级电容器，下面结合附图对本发明做详细的描述。
26.如图1所示，本发明提供的具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法包括以下步骤：
27.s101：将0.5-10g fau、emt、bph、cha或bea分子筛模板置于10-100kpa压力环境中，通入饱和糠醇蒸汽，吸收得到混合物。
28.s102：取1-5g混合物物，加入50ml三甲苯，充分搅拌后离心分离；分离物置于80℃烘箱24h以充分蒸发三甲苯。
29.s103：将清洗过后的混合物转移至管式炉中，在氮气氛围下100-200℃反应2-10h后，升温至600-1000℃反应2-10h。
30.s104：使用配比为hf：hcl＝1：0～1：1的酸液将分子筛模板去除，清洗并干燥后得到最终的产物。
31.本发明提供的具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法仅仅是一个实施例而已。
32.本发明将制备得到的碳分子筛与粘结剂以及乙炔黑混合均匀制浆，以覆碳铜箔为集流体，压片后制备得到电极；以电极材料为工作电极，汞氧化汞电极为参比电极，铂片为对电极组装三电极体系，测试电极材料的电化学性能。碳材料：粘结剂：乙炔黑的质量比例为8：1：1-9：0.5：0.5。
33.本发明提出一种真空蒸汽浸渍策略制备具有超高比表面积的碳分子筛；该方法制备的碳分子筛具有规整的微孔结构和超高的比表面积，制备方法操作简便；将其用于电化
学性能，无任何活化的处理其首次放电比容量和首次充电比容量可达1714mah/g和288mah/g；结构表征证明该方法能够提供众多缺陷位供钠离子嵌入和脱出，用于离子储存；上述制备过程无苛刻的制备工艺和特殊要求的操作，简便易操作。
34.下面结合实验数据对本发明进行进一步描述。
35.在本发明中，图2是具有超高比表面积的碳分子筛的制备方法的实现流程。
36.图3是制备的材料的扫面电镜图和透射电镜图。
37.图4是制备的材料的孔径分布效果。
38.图5是性能表征的循环伏安图和恒流充放电效果。
39.实验表明：
40.传统的液相浸渍法值得的碳分子筛比表面积小、结构不稳定，本发明中的蒸汽浸渍法可以实现超高比表面积和均一孔径，从而性能得到提升。
41.本发明根据碳材料自身的特点，选取合适的碳源，利用蒸汽浸渍法充分填充分子筛模板的孔道，得到具有超高比表面积的碳分子筛，制备的碳分子筛表现了优异的整体性能。
42.本发明首次提出蒸汽浸渍法用于制备碳分子筛，该方法制备的碳分子筛具有规整的微孔结构和超高的比表面积；实验证明，本发明制备的碳分子筛用于钠电池电极材料体现出优异的整体性能；制备方法操作简便。
43.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则制备所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围内。