[发明专利]一种超高比表面积的多级多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于多孔碳材料的制备技术领域，具体涉及一种超高比表面积的多级多孔碳材料及其制备方法与应用。该方法将低灰分生物质和高灰分生物质混合，通过水热碳化得到前驱体，再将前驱体依次经过酸处理和碱活化，即可使所得碳材料兼具超高比表面积和多级孔洞结构的特点。其中，酸处理过程可将前驱体中的部分无机盐溶解，促进后续活化过程中KOH在前驱体中的内扩散，提高活化效率，增加碳材料的比表面积；而少量不酸溶的无机盐在活化过程中起到支撑碳框架的作用，使大孔结构得以保留，从而使碳材料形成多级的孔洞结构。由此制备的多孔碳材料比表面积高达2195～3557m²/g，孔容高达1.13～2.55cm³/g。将其用作超级电容的电极材料，在0.5～20A/g电流密度下可得到272～453F/g比电容。

技术领域

本发明属于多孔碳材料的制备技术领域，具体涉及一种超高比表面积的多级多孔碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

多孔碳材料由于其原料易得，导电性好以及稳定性好等优点，被广泛应用于能源存储(锂电，超电，储氢等)等领域。尤其由于多孔碳材料拥有高比表面积(>1800m²/g)，使其表面具有更多的离子吸附位点，可增加电荷的存储量，因此多孔碳材料是超级电容的理想材料。多孔碳材料的孔道可调，可从微孔(<2nm)到介孔(2-50nm)，再到大孔(>50nm)形成三维多级孔道同时存在的结构，可极大降低电解质传质阻抗，有利于电解质高效的进入材料内。

然而，现有技术中制备的多孔碳材料仅单一地具备超高比表面积或单一地具备多级孔道结构。具体的，目前多孔碳材料的制备主要有碳化高分子聚合物法，碱活化生物质材料法和模板法。其中，碳化高分子聚合物法是利用极少量有机小分子和高分子聚合物的特定官能团，在表面活性剂的作用下，低温聚合反应生成碳前驱体，然后再直接碳化制备得到。这种方法其前驱体的制备条件苛刻，合成的原料量少且价格昂贵，因而极大的限制了该碳材料的大规模生产。相对而言，碱活化生物质材料法采用天然生物质作为碳源，原料廉价且可再生，因此被广泛应用。天然生物质包括低灰分含量的生物质如椰壳、甘蔗渣、谷壳、树皮、锯末等，以及高灰分量的生物质如虾壳、蟹壳、牛骨、猪骨、污泥等。对于低灰分含量的生物质，由于在碱活化过程中，生物质没有模板支撑，导致碳框架的坍塌，因此虽然所得材料比表面积大，但只能得到微孔和小介孔(<4nm)的多孔碳材料。对于高灰分量的生物质，由于生物质中无机盐过多，影响活化剂向其内部渗透，因此活化效率低，不能得到高比表面积。对于模板法，其原理是在前驱体中引入一定量的模板剂(无机物如SiO₂，CaCO₃，MgO等)，由于模板剂不被活化剂刻蚀或刻蚀后生成新的不能被腐蚀的无机盐，使模板复制的大介孔以及大孔得以保存下来，因此由模板法制备的多孔碳材料仅具有大孔结构，且比表面积较低。

综上，目前尚没有兼具超高比表面和多级孔道结构两种优点的多孔碳材料制备方法，这极大地限制多孔碳材料的电化学性能的更进一步提升。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种超高比表面积的多级多孔碳材料的制备方法。该方法首先将低灰分与高灰分含量的生物质混合，经水热碳化得到前驱体，再用HCl去除前驱体中的部分无机盐，增加前驱体中的孔道，促进后续活化过程中KOH在前驱体中的内扩散，提高活化效率，而少量不溶于HCl的无机盐在活化过程中起到支撑碳框架的作用，大孔结构得以保留，从而实现兼具超高比表面和多级孔道结构的多孔碳材料的制备。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的超高比表面积的多级多孔碳材料。

本发明的再一目的在于提供上述超高比表面积的多级多孔碳材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超高比表面积的多级多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)生物质的预处理