[发明专利]一种超级电容器用形貌可控的有序层次多孔碳化铬骨架炭材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及先进能源材料领域超级电容器电极材料，尤其涉及一种超级电容器用形貌可控的有序层次多孔碳化铬骨架炭材料的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种介于电池与传统电容器之间的新型储能装置，具有循环寿命长，功率密度高，能量密度高，充放电迅速，安全系数高，环保无污染等优点，因而在电化学能源存储领域拥有巨大的发展潜能。世界著名科技期刊美国《探索》杂志曾将超级电容器列为世界七大科技发现之一，并评价它是能量储存领域一项划时代的革命。

超级电容器发展的关键在于电极材料。碳材料是应用最为广泛的超级电容器电极材料之一，因为其具有优异的导电性能，丰富的孔结构，较大的比表面积，稳定的化学性能以及低廉的价格。目前超级电容器中使用较多的碳材料主要有：活性炭、碳纤维、中间相碳微球、碳化物骨架炭、碳纳米管等。碳化物骨架炭在上个世纪中期作为一种优异的吸附材料而受到关注，然而其独特的纳米孔结构、较窄的孔径分布以及孔结构可调控等优点则是近年来才被发现的，而这些优点让它在超级电容器的应用方面拥有很大的应用前景。

碳化物骨架炭通常通过利用刻蚀剂直接去除相应金属碳化物或非金属碳化物中的非碳原子制备得到，其中氯气为最常用的刻蚀剂，其制备的反应原理为：

MxCy+xz2Cl2→xMClz+yC]]>

该材料最初是作为一种四氯化硅制备过程中的副产物而被发现和报道。在当时，研究者们普遍推测认为该类反应中这种副产物的价值仅仅在于燃烧后转化成CO或者CO₂来提高氯化物的最终产率，而没有对所生成的碳化物骨架炭做进一步的研究。碳化物骨架炭真正成为研究的热点则是近十年的事，研究的重点是基于不同前驱体碳化物骨架炭的制备、纳米孔结构控制以及在储能、催化剂载体等新兴领域的应用。目前，较为常用的碳化物前驱体为碳化硅(SiC)，碳化钛(TiC)，碳化钙(Ca₂C)及其多元化合物。由这些前驱体制备得到的碳化物骨架炭的一个共同特点是孔径小，且孔道结构弯曲，不利于电解液离子在孔内的吸附和快速传输，因此尽管比表面积大，其能量密度并不大，倍率性能也有待提高。Thomas Thomberg等对二元或三元碳化物的晶体结构进行了相对深入的研究，并指出Cr₃C₂，Cr₇C₃和Cr₂₃C₆可能是制备适合超级电容器应用的、孔径大于1nm的碳化物骨架炭最好的碳化物前驱体之一。然而这种碳化铬骨架炭是直接由商业碳化铬作为前驱体制备得到的，它所具备的孔结构弯曲、形貌不规则，且为不具备集微孔、介孔或大孔于一体的层次多孔结构，不利于电解液离子的储存和传输，因而不利于超级电容器功率特性的提升。

这种直接将商业碳化物中非碳原子刻蚀去除制备碳化物骨架炭的方法，其孔结构和孔径一般通过改变碳化物前驱体和煅烧条件来调节。但是商业碳化物制备得到的碳化物骨架炭一般为微孔材料，形貌不规则，且其孔道结构弯曲，导致离子吸附量有限，传输速率低，能量密度和功率密度在高倍率条件下衰减较快，很难满足电动车等对高能量密度与功率密度的要求。

发明内容

为了解决碳化物骨架炭微孔结构单一、形貌不规则等技术问题，本发明提供一种超级电容器用形貌可控的有序层次多孔碳化铬骨架炭材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种超级电容器用形貌可控的有序层次多孔碳化铬骨架炭材料的制备方法，包括如下步骤：