[发明专利]高比表面积多级孔石墨化碳及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，具体涉及高比表面积多级孔石墨化碳及其制备方法。

背景技术

   近年来，随着能源、分离技术、电催化技术的快速发展，碳材料作为其应用的一种主体材料，在学术界和工业界已被广泛关注。碳材料，根据其结晶性来分，一般分为无定形碳和石墨化碳。无定形碳是指内部结构无序排布的碳，而石墨化碳是指具体有一定石墨结晶度的碳。相比无定形碳，石墨化结构碳其热稳定性和化学稳定性提高，导电性和导热性好。因此，现已被广泛应用于能源、环境、水处理和电化学等领域。但是，由于石墨化碳内部结构排布有序，形成层状叠加结构，因此，采用普通方法所合成的石墨化碳材料的比表面积相对较小（< 100 m²/g ）。因此，在应用于吸附剂、催化剂载体、电极材料以及能源储存介质有一定的限制。所以，发展一种高比表面积的多孔石墨化碳材料，显得十分重要。

    通常，合成多孔石墨化碳材料的方法主要有以下四种：（1）化学活化法、物理活化法、化学和物理活化联合法；（2）以金属盐或金属有机化合物为碳前驱体催化活化；（3）碳化聚合物或高温裂解聚合物；（4）碳化超临界干燥的聚合物凝胶。Wang等[J. Mater. Chem., 2007, 17, 2251]以有机金属盐（羰基铁）为石墨化催化剂，乙醇为碳源，合成了较高比表面积的石墨化碳，应用于燃料电池中改进了燃料电池的催化效率和稳定性。Ma等[Chem. Mater., 2001, 13, 4413]采用USY型沸石为模板合成了多孔的石墨化碳材料，应用于超级电容器中，改善了超级电容器的充放电速率和稳定性。虽然上述方法所合成的多孔石墨化碳材料对改进能源材料的性能有一定的提高，但仍达不到实际应用所需高稳定性、高效率的能源指标。这主要是因为上述传统方法所合成的多孔石墨化碳材料的孔结构无序，比表面积通常也不高（< 800 m²/g ）。因此，这些碳材料在应用于大电流、高容量、长寿命的电储能装置中达到电动汽车以及航天应用的要求，上述性能的石墨化碳材料略显不足。虽然，多篇文献[J. Phys. Chem. Solids, 2008, 69, 2420; Solid State Ionics, 2008,179, 269; J. Power Sources, 2010, 912]报道了采用化学活化的方法形成了超高比表面积、孔径分布合理的碳材料，但是，这些碳材料都是无定形形态，电导率很低，在电化学能源体系中应用受到限制。这些无定形材料在低电流工作条件下，能持续相对长工作时间，但是，在大电流条件下工作，时间很短。这主要是由于化学活化所形成的碳石墨化程度很低、孔结构分布不合理，造成化学结构不稳定、离子不易扩散，电导很低，因而容量衰减很快。

由此可见，一种碳材料既要达到高倍率充放电要求又具有高容量和长期稳定性，必须具备如下特点：（1）合理的孔径分布（适当的大孔、介孔和一定量的微孔）和整体结构；（2）高比表面积；（3）石墨化。当前，合成上述材料，主要以模板法为主。该方法以模板为主体材料去控制材料的孔径分布结构和外观形貌。Liu等[Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3876]以P123三嵌段共聚物((EO)₂₀ (PO)₇₀ (EO)₂₀)合成了高度有序的介孔碳。该方法能够通过模板合理地控制孔径分布和孔结构的有序性，以及比表面和外观结构。但是，在合成上述结构的碳材料前，需制备特殊结构的模板，然而形成一种特殊结构的模板，其过程极其复杂，合成成本也高，因而不易于实际生产中应用。Wang等[Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 120, 379]以Ni(OH)₂为模版合成了高度有序的多孔石墨化碳材料，应用于超级电容器中表现出了高倍率、高稳定性的电化学性能。该方法制备简单，所制备的多孔石墨化碳材料结构有序，化学性能稳定，但是所制备的多孔石墨化碳材料比表面积不高（< 1000 m²/g），因而应用于超级电容器表现出限制的比容量。鉴于此，本发明专利克服了以上不足，开发出一种新颖的离子交换/活化联合法，一步形成具有高比表面积 （> 1800 m²/g）的多级孔石墨化碳。

 

发明内容