[发明专利]一种介孔微孔碳材料及其制备方法和应用有效

专利信息
申请号: 201710058532.4 申请日: 2017-01-23
公开(公告)号: CN106865546B 公开(公告)日: 2019-01-22
发明(设计)人: 陈海标;吴灏林;杨杰;朱敏;潘锋 申请(专利权)人: 北京大学深圳研究生院
主分类号: C01B32/348 分类号: C01B32/348;H01G11/32;H01G11/24;H01G11/86
代理公司: 深圳鼎合诚知识产权代理有限公司 44281 代理人: 郭燕;彭家恩
地址: 518055 广东省*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 微孔 材料 及其 制备 方法 应用
【说明书】:

本申请公开了一种介孔微孔碳材料及其制备方法和应用。本申请的介孔微孔碳材料,孔径范围为0.3‑20纳米,孔隙率为50‑90%,介孔与微孔的体积比为2:1以上,比表面积为1500‑3200m2/g。本申请的介孔微孔碳材料,同时具有超高比表面积和高的介孔比例,是一种全新的碳材料。本申请的制备方法,通过碳氧化硅材料制备介孔微孔碳材料,创造性的采用熔融的强碱对碳氧化硅材料中的氧化硅进行溶解,并对碳进行活化,避免使用氯气或氢氟酸,无有毒气体或液体产生,生产设备更为简单,更经济、安全、环保;另外,该方法不需用模板形成介孔,为介孔微孔碳材料的制备提供了一种新的途径。

技术领域

本申请涉及多孔碳材料领域,特别是涉及一种介孔微孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

介孔材料是指平均孔径为2-50纳米的多孔材料,微孔材料是指平均孔径小于2纳米的多孔材料。由于微孔材料具有比介孔材料更小的孔径,可以提供更大的比表面积;因此,具有高比表面积的微孔碳材料广泛应用于吸附、催化、超级电容器等需要大比表面积的场合。传统的高比表面积碳材料主要是通过对碳材料进行活化形成活性炭来制备,对于孔径不能精确控制。此外,传统的活性炭以微孔为主,由于孔径过小,很多目标分子或者离子在孔中扩散很慢甚至不能进入孔中,很大部分的比表面实际上没有被利用,材料性能不能充分发挥。例如在将微孔碳材料作为超级电容器的电极材料使用时,有机电解质四氟硼酸四乙胺中的溶剂化阴/阳离子的直径分别是1.30纳米和1.16纳米,小于该尺寸的微孔由于不能容纳电解质离子而不能形成双电层电容,微孔内部的表面积是无效的。

为了提高高比表面积碳材料的应用性能,可以制备具有分级孔径的介孔微孔碳材料。在介孔微孔碳材料中,介孔与微孔相互连通,由于介孔的孔径大于微孔,分子和离子在介孔中的扩散速度较快,介孔为分子或离子进入微孔内表面提供了快速通道。介孔微孔碳材料的高比表面积可以得到充分利用,因此性能优于单纯的微孔碳材料。但是,传统的活化工艺只能制备单纯的微孔碳材料。近年来通过模板法在碳材料中引入介孔成为一个研究热点。但是,模板法中的模板材料是一次性消耗品,材料成本高,且工艺过程复杂,难以实现产业化。最近,通过碳化物材料制备高比表面积碳材料成为一种新方法。通过碳化物制备高比表面积碳材料的优点在于可以通过碳化物的化学成分控制孔径,可以使孔内可以容纳最多的分子或者离子,从而提高催化、吸附或电容性能。在所有的碳化物中,碳化硅或者碳氧化硅是成本较低的。碳氧化硅陶瓷可以通过对聚硅氧烷进行热解得到。碳氧化硅材料在微观上是碳与无定形氧化硅相互穿插形成的纳米复合结构;去除碳氧化硅材料中的无定形氧化硅,即可得到具有纳米孔的碳材料。最近报道的碳化物制备微孔碳的主要方法是在高温下通氯气进行腐蚀,或者在室温下利用氢氟酸进行腐蚀。这两种方法都有一定的危险性,氯气是一种具有强烈刺激性气味的有毒气体,大量吸入可致命;氢氟酸具有强烈腐蚀性,人体接触少量氢氟酸就可以致命,属于剧毒化学品。并且会形成对环境有害的副产物,例如四氯化硅,在空气中和水蒸气生成具有腐蚀性和刺激性的氯化氢等。同时,由于引入了介孔,碳材料的比表面积会明显降低,目前还没有一种即具有超高的比表面积,同时又有较高介孔比例的碳材料。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的介孔微孔碳材料,及其制备方法和应用。

本申请采用了以下技术方案:

本申请的一方面公开了一种介孔微孔碳材料,该介孔微孔碳材料的孔径范围为0.3-20纳米,孔隙率为50-90%,介孔与微孔的体积比为2:1以上,比表面积为1500-3200m2/g。

本申请的介孔微孔碳材料可以同时具有超过3000m2/g的比表面积,并且,介孔和微孔的体积比例超过2:1,孔体积超过2cm3/g。本申请的介孔微孔碳材料既具有高比表面积,又具有可控数量的介孔,使得介孔微孔碳材料具有更优异的性能和更广泛的用途。本申请介孔微孔碳材料的一种用途中,将其用于超级电容器,使得电容性能超越使用进口活性炭YP50的电容器。

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