一种以褐煤为原料制备的多孔碳及其制备方法和应用

本发明涉及超级电容器，尤其涉及一种以褐煤为原料制备的多孔碳及其制备方法和应用。

背景技术：

1、超级电容器作为一种新型储能材料，具有充放电速率快、循环寿命长等优点，而碳基材料由于其良好的导电性、高比表面积、高稳定性以及是一种天然可获取的原材料，是超级电容器电极材料的重要来源。

2、我国褐煤储量丰富，但由于褐煤煤化程度低，直接利用率不高，且褐煤中灰分高、杂质多，用于制备超级电容器电极材料往往表现出较低的比电容和能量密度。褐煤中含有大量的腐植酸，腐植酸是一种富含多种氧官能团的有机大分子，可用于制备超级电容器电极材料。但是，当前利用褐煤中的腐植酸以制备高性能的多孔碳材料仍处于研究阶段。

3、因此，如何以褐煤为原料制备可应用于超级电容器电极上的多孔碳，并使多孔碳制备的电极材料具有高比电容、高能量密度和高功率密度成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种以褐煤为原料制备的多孔碳的制备方法和应用。本发明提供的以褐煤为原料制备的多孔碳的制备方法制备出的多孔碳为亚纳米孔结构的多孔碳，且采用多孔碳制备出的电极具有高比电容、高能量密度和高功率密度，可应用在超级电容器电极材料领域。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种以褐煤为原料制备的多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将褐煤与碱性溶液混合后加热进行酸碱反应，得到腐植酸盐；

5、(2)将所述步骤(1)得到的腐植酸盐与活化剂混合后进行热解，得到多孔碳。

6、优选地，所述步骤(1)中碱性溶液为碳酸钠溶液与氢氧化钠溶液的混合液。

7、优选地，所述步骤(1)中褐煤的质量与碳酸钠溶液和氢氧化钠溶液的体积比为1g：(1～2.5)ml：(1～2.5)ml。

8、优选地，所述碳酸钠溶液和氢氧化钠溶液的浓度独立的为1～2mol/l。

9、优选地，所述步骤(1)中加热包括以下步骤：

10、(a)将褐煤与碱性溶液混合后进行第一加热，得到产物1；

11、(b)调节步骤(a)得到的产物1的ph至11～12，然后进行第二加热，得到腐植酸盐；

12、所述步骤(a)中的第一加热和步骤(b)中的第二加热的温度独立地为75～85℃，第一加热和第二加热的时间独立地为60～180min。

13、优选地，所述步骤(2)中腐植酸盐与活化剂的质量比为1：(1～3)。

14、优选地，所述活化剂为草酸盐。

15、优选地，所述步骤(2)中热解的温度为700～900℃，热解的时间为2～3h。

16、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多孔碳，所述多孔碳具有亚纳米孔结构。

17、本发明提供了上述技术方案所述多孔碳在超级电容器电极材料中的应用。

18、本发明提供了一种以褐煤为原料制备的多孔碳的制备方法，包括以下步骤：(1)将褐煤与碱性溶液混合后加热进行酸碱反应，得到腐植酸盐；(2)将所述步骤(1)得到的腐植酸盐与活化剂混合后进行热解，得到多孔碳。本发明采用褐煤为原料，利用褐煤中含有丰富的氧官能团(羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等)的有机大分子腐植酸，并通过酸碱反应得到腐植酸盐，将其作为碳前躯体制备亚纳米孔结构的多孔碳；腐植酸盐在与活化剂的热解过程中，由于腐植酸盐中含氧量较高，在较低温度下生成的co被腐植酸盐中含有的氧官能团氧化为co2，co2具有物理造孔作用，从而使其在较低温度下实现调控孔结构的效果，以降低热解温度；另一方面，由于非碳元素在高温下被消除，导致碳前驱体缩合成芳香族骨架，然后通过与活化剂的氧化还原反应蚀刻芳族骨架以形成多孔结构，使制备的多孔碳具有亚纳米孔结构，呈现出大的比表面积，具有良好的孔结构分布，作为超级电容器电极材料使用时，表现出高的比电容，且由于氧官能团的存在，在电化学过程中表现出的赝电容特性，可有效扩宽电压窗口，以增大超级电容器的能量密度。实验结果表明，本发明提供的制备方法制备得到的多孔碳平均孔径分布在0.5nm左右，为微孔结构；多孔碳作为超级电容器电极材料使用时，在电流密度为1a·g-1时，质量比电容为252～302f·g-1；在功率密度为550w·kg-1，能量密度为20～31.8wh·kg-1，在功率密度为22000w·kg-1时，能量密度为9.8～17.7wh·kg-1，具有高比电容、高能量密度和高功率密度，可应用在超级电容器电极材料领域。

技术特征：

1.一种以褐煤为原料制备的多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碱性溶液为碳酸钠溶液与氢氧化钠溶液的混合液。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中褐煤的质量与碳酸钠溶液和氢氧化钠溶液的体积比为1g：(1～2.5)ml：(1～2.5)ml。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述碳酸钠溶液和氢氧化钠溶液的浓度独立地为1～2mol/l。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加热包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中腐植酸盐与活化剂的质量比为1：(1～3)。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述活化剂为草酸盐。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中热解的温度为700～900℃，热解的时间为2～3h。

9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的多孔碳，其特征在于，所述多孔碳具有亚纳米孔结构。

10.权利要求9所述多孔碳在超级电容器电极材料中的应用。

技术总结
本发明提供了一种以褐煤为原料制备的多孔碳及其制备方法和应用，属于超级电容器技术领域。本发明提供的以褐煤为原料制备的多孔碳的制备方法，包括以下步骤：(1)将褐煤与碱性溶液混合后加热进行酸碱反应，得到腐植酸盐；(2)将所述步骤(1)得到的腐植酸盐与活化剂混合后进行热解，得到多孔碳。本发明提供的制备方法制备得到的多孔碳平均孔径分布在0.5nm左右，为微孔结构；多孔碳作为超级电容器电极材料使用时，具有高比电容、高能量密度和高功率密度，可应用在超级电容器电极材料领域。

技术研发人员：王永祯,张润虎,刘红伟,王晓敏
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15