一种多孔炭量子点及其制备方法和应用与流程

本发明涉及炭量子点的，具体涉及一种多孔炭量子点及其制备方法和应用。

背景技术：

1、煤由芳核有序结构和周围的烷基侧链/官能团等无序结构共同组成，其分子结构与碳量子点具有天然相似性，是制备碳量子点的优质前驱体。在各种碳基材料的前驱体中，煤的产碳率非常高，我国的煤炭资源丰富，褐煤含水量高，热值低，传统的直接燃烧利用较为浪费且会带来环境污染，采用褐煤作为钠离子电池负极材料的来源，开发出高品质煤基炭材料，不仅能够减少煤炭在利用过程中的环境污染，也能够提高煤炭资源的利用价值，带来巨大的经济效益，具有重大的现实意义。而煤基炭材料作为钠离子电池负极材料的缺点在于首次库伦效率低、储钠容量低、倍率性能差、循环性能差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种多孔炭量子点及其制备方法和应用，以煤为原料制备碳量子点，利用其小尺寸效应及表面丰富的官能团，在纳米尺度对炭材料进行结构构筑及表面物理化学改性，通过对材料孔结构，表面杂原子赋存状态进行调控，制备出库伦效率和储钠容量高、倍率性能和循环性能优异的多孔炭量子点。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种多孔炭量子点的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)对煤粉进行热解，得到热解物料，对所述热解物料进行酸洗，再经过滤固液分离，得到第一溶液；

5、(2)向第一溶液中加入造孔剂，搅拌均匀，再进行水热反应，得到第二溶液；所述造孔剂包括氯化铵、氯化锌、氢氧化钾中的至少一种；第一溶液与造孔剂的质量比为1：(0.01～0.05)；

6、(3)对第二溶液进行离心分离，分离后的溶液再进行透析、干燥，得到炭量子点；

7、(4)对得到的炭量子点进行碳化，得到多孔炭量子点。

8、本发明的多孔炭量子点的制备方法，是以煤粉为原料，依次进行热解、酸洗、固液分离处理，得到第一溶液后，对第一溶液加入造孔剂，并限定了造孔剂的种类和与第一溶液的重量比，采用氯化铵、氯化锌、氢氧化钾中的至少一种于第一溶液混合后，会催化固体残留物中醇羟基的脱水以及苯酚/醚类中c-o键的断裂，同时该物质本身具有溶胀和挥发性，后续碳化时经过热处理会释放，炭量子点使得形成大量的孔隙结构，从而得到多孔炭量子点。

9、优选地，所述第一溶液与造孔剂的质量比为1：(0.02～0.03)。

10、优选地，所述造孔剂为质量比为(0～5)：1：(0～3)的氯化铵、氯化锌、氢氧化钾。

11、优选地，所述煤粉的挥发份≥5wt％，灰分≤3wt％，粒度dv50为1～10μm；

12、优选地，所述步骤(1)中，所述热解是在惰性气氛下进行，热解的温度为250～400℃，时间为2～10h；其中，所述惰性气氛为氮气、氩气中至少一种。

13、优选地，所述步骤(1)中，所述酸洗是将所述热解物料、酸和水混合；其中，热解物料、酸和水质量比为1：(0.5-2)：(2-10)；所述酸包括浓盐酸，浓硝酸，浓硫酸中的至少一种。由于部分碳量子点被生物炭中金属氧化物卡位没有暴露在表面，只用水浸泡生物炭对碳量子点的分离率略低，所以本发明中采用对碳量子点进行酸洗，从而溶解生物炭骨架或孔隙中的金属氧化物，更多的释放碳量子点。酸液中溶解的无机盐等杂质在后续透析步骤去除。

14、优选地，所述步骤(2)中，所述水热反应的温度为120～180℃，反应时间为4～8h。

15、优选地，所述步骤(3)中，所述离心的转速为7000～12000r/min，时间为5～10min。

16、优选地，所述步骤(3)中，所述透析的截留量为1000～3500da，透析时间为10～24h；所述干燥采用冷冻干燥，干燥的温度为-84～-94℃，干燥的时间为24～36h。

17、优选地，所述步骤(4)中，所述碳化是在惰性气氛下进行，所述碳化的温度为800～1200℃，时间为1～8h；其中，所述惰性气氛包括氮气、氩气中的至少一种。

18、第二方面，本发明提供了一种多孔炭量子点，所述多孔炭量子点所述的多孔炭量子点的制备方法制备而成。

19、第三方面，本发明提供了所述多孔炭量子点在制备电池中的应用。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、(1)本发明的多孔炭量子点的制备方法，是以煤粉为原料，原料成本低廉且易得，然后对煤粉依次进行热解、酸洗、固液分离处理，得到第一溶液后，对第一溶液加入造孔剂，并限定了造孔剂的种类和与第一溶液的重量比，采用氯化铵、氯化锌、氢氧化钾中的至少一种于第一溶液混合后，会催化固体残留物中醇羟基的脱水以及苯酚/醚类中c-o键的断裂，同时该物质本身具有溶胀和挥发性，后续碳化时经过热处理会释放，炭量子点使得形成大量的孔隙结构，从而得到多孔炭量子点。

22、(2)该多孔炭量子点相比传统的导电剂，其能够更多的储钠位点，将其应用于钠电池中，能兼顾电芯能量密度和功率密度。而且同时由于碳量子点的导电性好，还能有效提升电池功率密度。

技术特征：

1.一种多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述第一溶液与造孔剂的质量比为1：(0.02～0.03)。

3.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为质量比为(0～5)：1：(0～3)的氯化铵、氯化锌、氢氧化钾。

4.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述煤粉的挥发份≥5wt％，灰分≤3wt％，粒度dv50为1-10μm。

5.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述热解是在惰性气氛下进行，热解的温度为250～400℃，时间为2～10h；其中，所述惰性气氛为氮气、氩气中至少一种；

6.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述水热反应的温度为120～180℃，反应时间为4～8h。

7.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述透析的截留量为1000～3500da，透析时间为10～24h；

8.如权利要求1所述的多孔炭量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述碳化是在惰性气氛下进行，所述碳化的温度为800～1200℃，时间为1～8h；其中，所述惰性气氛包括氮气、氩气中的至少一种。

9.一种多孔炭量子点，其特征在于，所述多孔炭量子点由权利要求1～8任一项所述的多孔炭量子点的制备方法制备而成。

10.权利要求9所述多孔炭量子点在制备电池中的应用。

技术总结
本发明涉及一种多孔炭量子点及其制备方法和应用，属于炭量子点的技术领域。本发明的多孔炭量子点的制备方法，是以煤粉为原料，原料成本低廉且易得，然后对煤粉依次进行热解、酸洗、固液分离处理，得到第一溶液后，对第一溶液加入造孔剂，并限定了造孔剂的种类和与第一溶液的重量比，采用氯化铵、氯化锌、氢氧化钾中的至少一种于第一溶液混合后，会催化固体残留物中醇羟基的脱水以及苯酚/醚类中C‑O键的断裂，同时该物质本身具有溶胀和挥发性，后续碳化时经过热处理会释放，炭量子点使得形成大量的孔隙结构，从而得到多孔炭量子点。

技术研发人员：谌芳园,张满强,钱泽铭
受保护的技术使用者：广东钠壹新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10