[发明专利]一种多孔炭电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器领域，更具体地，涉及一种多孔炭电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

与传统的二次电池相比，超级电容器具有长寿命，高功率密度，快速充放电等特点，但是能量密度较低。目前有许多研究工作者都致力于改善超级电容器体系的能量密度，其中一种是通过提高电容器电极材料的比电容，另一种是应用不对称混合型超级电容器体系，即一个电极采用电极活性炭电极，而另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极材料，使电容器的工作电压升高，从而提高电容器的能量密度。由此可见，电极材料选择是关键。

众所周知，比电容的大小跟电极材料的微观表面积，孔隙率(大孔，中孔和微孔)，材料表面的官能团等因素有关。一般来说小孔占的比例越大，比表面积就越大，从而比电容越高，但是微孔不利于离子传输，在一定程度上限制了比电容的大小，而中孔却可显著提高离子的传输速度。因此，在提高微观表面积基础之上，通过提高中孔的数量可有效提高比电容的大小。同时为实现工业化，在考虑材料结构性能的前提条件上，更需要考虑材料的成本及工艺的简易可行性。

发明内容

本发明的目在于克服商业活性炭的低比表面积和以微孔为主等问题，提供一种以中孔为主且具有高比表面积的多孔炭电极材料。

本发明的另一目的是提供上述多孔炭电极材料的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述多孔炭电极材料在超级电容器中的应用。

本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现：

一种上述多孔炭电极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.制备有机气凝胶：将A物质、B物质和氢氧化钠溶解于去离子水中，混合均匀后在密闭容器中密封，在40～60℃下形成浊液，然后置于70～180℃水浴中老化3～7天后，得到苯酚-甲醛水凝胶；

S2.用含1wt％HCl的乙醇溶液于30～100℃下振荡置换出苯酚-甲醛水凝胶中的水，并在交换过程中0.5～3h完成凝胶的酸老化，得到苯酚-甲醛有机气凝胶；

S3.将苯酚-甲醛有机气凝胶与磷酸混合后酸化0.5～5h，得到产物C；；

S4.将步骤S3所得产物C在氮气或氩气气氛下煅烧；

S5.将步骤S4煅烧后的多孔炭在盐酸和去离子水中洗涤直到溶液呈中性，干燥得到层孔炭电极材料。

优选地，步骤S1中所述A物质为苯酚或间苯二酚；所述B物质为37wt％的甲醛或糠醛。

优选地，步骤S1中所述A物质、B物质和氢氧化钠的质量比为(0.5～1):(2～5):(50～500)。

优选地，步骤S3所述苯酚-甲醛气凝胶与磷酸的质量比为1：10。

优选地，步骤S4中所述煅烧的温度为600～900℃；煅烧的升温速率为5min/s，煅烧的保温时间为1～5h。

优选地，步骤S5中所述干燥的温度为60～120℃，干燥的时间为3～5h。

优选地，步骤S5中所述的盐酸的浓度为1～5mol/L。

一种多孔炭电极材料，所述多孔炭包括孔径范围小于2nm的微孔、孔径范围为2～40nm的中孔和孔径范围为40～100nm的大孔。

优选地，所述多孔炭的比表面积为2000～4000m²/g。

另外，上述多孔炭电极材料在超级电容器中的应用也在本发明的保护范围内。

本发明通过磷酸活化有机气凝胶可制备出以中孔为主具有高比表面积的多孔炭，这是由于磷酸与有机气凝胶的部分碳原子发生化学反应生成五氧化二磷，同时生成气体二氧化碳或一氧化碳，起到了刻蚀和造孔作用，而且刻蚀的速度进行缓慢，因此，磷酸继续刻蚀使微孔形成中孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明以苯酚或间苯二酚，与甲醛或糠醛反应得到有机气凝胶，然后通过磷酸活化得到多孔炭，该多孔炭包括孔径范围小于2nm的微孔、孔径范围为2～40nm的中孔和孔径范围为40～100nm的大孔。该制备方法简单可行，通过磷酸活化有机气凝胶可制备出高比表面积(2477m²g^-1)，中孔(占总体积的99％)为主的多孔炭，这是由于磷酸与有机气凝胶的部分碳原子发生化学反应生成五氧化二磷，同时生成气体二氧化碳或一氧化碳，起到了刻蚀和造孔作用。由于刻蚀的速度进行缓慢，磷酸继续刻蚀使微孔形成中孔。中孔的数量增加提高了离子的传输速度，因此，具有较好的超级电容器电化学性能。

附图说明

图1为实施例2制备的多孔炭电极材料的SEM图。