[发明专利]一种柔性多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳材料及其制备方法与应用，具体涉及一种基于生物质和有机聚合物的柔性多孔碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着电子器件的发展，具有便携、柔性、可穿戴等特征的电子器件吸引了人们的广泛关注。因此，柔性材料已成为科研领域研发的一个重要反向。由于社会信息化的加速发展，使人们对作为信息载体的电子器件(例如：手机、手提电脑、智能手表、智能眼镜) 的要求及依赖日渐提高。改善这类电子器件的柔性和便携性，可进一步促进人与信息的高效交流。

电池和电容器作为两种最主要的储能设备，柔性电极材料是实现这两种储能设备柔性化的一个重要环节，也是实现电子器件柔性和便携性的关键。目前，柔性电极主要包括两种：自支撑的柔性电极和活性物质负载于柔性基底得到的复合电极。其中自支撑的柔性电极主要是以石墨烯，碳管或导电聚合物中的一种或多种为原料制备柔性自支撑电极。活性物质负载于柔性基底得到的复合电极是通过将活性物质(例如：金属氧化物、导电聚合物)负载于柔性基底上(例如：碳布、碳纤维、碳纸)，制备复合柔性电极。

现有广泛制备和应用的柔性电极材料主要源于传统化石原料，考虑到能源枯竭的现状及可持续化学和绿色化学的要求，开发制备符合可持续化学和绿色化学要求的材料具有很高的经济价值和广阔的应用前景。将生物质转化为多孔碳材料是一种符合可持续发展理念的材料制备方法。目前，将生物质转化为多孔碳材料的方式有水热碳化法、溶剂热法、模板法、熔融盐活化法、碱活化法、高温碳化法等。通过这些方法得到的碳材料，大多数为粉末或颗粒状材料。且在材料的制备过程中，可能会存在苛刻的处理过程、繁杂的制备步骤等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种通过控制生物质原料、有机聚合物种类、聚合反应条件以及碳化条件等因素，来制备柔性多孔碳材料的方法，所述方法具体包括以下步骤：

1)以柔性生物质材料为基底，其上负载聚合物单体，进行聚合反应，得复合材料；

2)将复合材料置于300℃～1200℃的温度下，进行碳化处理，即得柔性多孔碳材料。

本发明进一步提出的一种柔性多孔碳材料的制备方法，其中，所述生物质材料选自棉、麻、丝、毛及其制品中一种或多种；

柔性生物质材料具体可为棉织品、麻织品、丝织品、毛织品；或者是棉、麻、丝、毛的混合制品，比如棉麻混合布；其中混合制品中棉、麻、丝、毛的各成分比不固定，比如棉麻混合布中棉的成分比为 0～100％。

优选地，所述柔性生物质材料与所述柔性生物质负载的聚合物单体的质量比为1：0.01～0.40。

本发明进一步提出的一种柔性多孔碳材料的制备方法，其中，还包括所述柔性生物质材料进行预处理，具体为去杂质处理，和/或干燥处理；所述干燥的温度为40℃～100℃；

所述去杂质的处理具体为：使用乙醇溶液和适量的有机试剂丙酮浸泡生物质材料；其中所使用的乙醇溶液不固定百分比，使用量较大。

本发明进一步提出的一种柔性多孔碳材料的制备方法，其中，所述单体聚合反应的产物可为导电聚合物，所述产物又可为多孔聚合物；多孔聚合物选自超交联聚合物、固有微孔聚合物、共轭微孔聚合物及共价有机骨架聚合物。

聚合反应产物为导电聚合物时，所述聚合物单体选自吡咯、噻吩、苯胺及乙撑二氧噻吩等中一种或多种。

聚合反应产物为多孔聚合物时，所述聚合物单体选自三咔唑苯、三噻吩基苯、2,2,7’,7’-四(2-噻吩基)-9’9’-螺双芴等中一种或多种。

在聚合反应过程中，所使用的聚合物单体种类不同，使用的单体溶液也有所区别。吡咯、噻吩、苯胺为液体，在柔性生物质材料负载聚合物单体的过程中直接使用单体溶液即可；三咔唑苯为固体，会使用三咔唑苯的二氯溶液。

本发明进一步提出的一种柔性多孔碳材料的制备方法，其中,所述生物质材料与聚合物单体混合方式可以为浸泡、涂抹或者滴加，使其聚合物单体负载在生物质材料的表面或孔道中；

其中所述浸泡具体为：将生物质材料浸泡在聚合物单体溶液中，其中浸泡的时间为10～180s；

优选地，所述浸泡时间为30s～80s；

更优选地，所述浸泡时间为30s。

其中所述涂抹具体为：使用刷子将有机聚合物均匀的涂刷在生物质材料上，使其聚合物单体负载在生物质材料的表面或孔道中。

其中所述滴加具体为，使用滴管将聚合物单体溶液均匀的滴加在生物质材料上。