[发明专利]一种多孔碳的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，尤其涉及一种用于超级电容器电极材料的多孔碳的制备方法及其产品。

背景技术

超级电容器是一种新型的储能装置，将电容器的功率特性和电池的高能量存储性能结合起来，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源且绿色环保等优点，广泛应用于计算机电子、消费电子、工业电子、能源及军事等领域。值得一提的是其在能源领域的应用，超级电容器以其优异的特性，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有效地解决城市尾气污染和铅酸电池的重金属污染问题。

超级电容器根据储能机理的不同可分为两类：

1、双电层型超级电容器(EDLC)，能量的储备来源于电荷在电极材料/电解质界面的分离，最理想的电极材料为碳基材料；

2、赝电容型超级电容器，其储能来源于电解质离子在材料上发生的化学吸附或氧化还原反应，典型的材料为金属材料MnOx，RuO₂和一些有机聚合物。赝电容型超级电容器具有很高的能量密度，但电极的耐久性和循环充放电次数还亟待提高，电极的造价也比较高。因此，以碳基材料为电极材料的EDLC是目前研究的主要方向，对于高性能碳基材料的开发是主要的研究课题。

为了制备优秀的碳基电极材料，科学家们进行了大量的探索。一些新型碳基材料如石墨烯，碳纳米管等，凭借其大比表面积和高导电性能，都被用做超级电容器的电极材料，并获得了较为满意的成果。但上述材料的制备方法较复杂，生产成本较高，较难实现工业化。研究表明，超级电容器中理想的电极材料需要具备高的比表面积和适当的孔径大小，具有多级孔结构的碳材料在作为超级电容器材料时具有明显的优势,因为大孔可以作为减小电解质离子扩散路程的缓冲池,介孔有利于电解质离子传输和吸附而微孔有助于离子的积累。所以，如何制备多孔碳成为超级电容器材料开发的核心之一。生物质水热是方便廉价的制备功能化碳材料的方法，但是直接水热碳水化合物得到的碳基材料只有微量的微孔，远远达不到超级电容器材料的要求。因此如何发明具有丰富微孔和介孔的高比表面积的水热碳材料具有重要的经济意义。

向水热碳材料中引入纳米孔结构方法主要有两类：

（1）活化法：是制备多孔碳材料的传统方法，最常用的是使用一些强酸，强碱或盐类对得到的碳材料进行活化。如Marta等（Marta Sevilla,Antonio B.Fuertes.Sustainable porous carbons with a superior performance for CO₂capture.Energ&Environ Sci.2011;4(5):1765-71）利用KOH对水热碳材料进行活化后应用于CO₂的吸附。Zhao等（Zhao L,Fan L Z,Zhou M Q,et al.Nitrogen-Containing Hydrothermal Carbons with Superior Performance in Supercapacitors[J].Adv Mater,2010,22:5202-5206.）采用KOH对水热碳材料进行活化后应用于超级电容器材料。

但是这些活化方法目前存在一些共同的缺点：a)活化过程需要用到大量的酸碱，需要进行后续的洗涤除去有害环境。b）利用该类活化法得到的多孔碳中的微孔一般在70%以上，不利于电解质离子在碳材料内部的有效扩散传输。

（2）模板法：是利用模板来有效控制孔结构，从而制备出结构有序、孔径均一的材料。根据使用模板的不同，模板法可以分为以下几种：（a）软模板法，是一种直接合成有序介孔碳的方法，通过碳前驱体与软模板相互作用进行自组装，然后将碳前驱体碳化得到多孔碳材料，但该法在制备中使用大量的软模板剂，且对合成条件要求非常苛刻，如（Chem Mater.2011;23(22):4882-5.）；（b）硬模板法，利用一种具有特殊形貌或孔结构的材料作为硬模板，碳前驱体在其表面或孔道内部成碳，之后除去硬模板得到具有特殊孔结构的多孔碳材料，如：（Adv.Funct.Mater.2007,17,1010–1018）。硬模板法的缺点在于涉及到大量模板剂的使用和去除，步骤繁杂并且比表面积比较难提升。

因此发明简单易行，且具有高比表面积、高介孔比例的多孔水热碳材料具有重要的科学意义和实用价值。

发明内容