[发明专利]一种形貌及孔结构可控的炭材料的制备方法

说明书

一种形貌及孔结构可控的炭材料的制备方法，其特征在于：以海洋生物质资源海藻、贝壳中富含的甲壳素及其衍生物壳聚糖为原材料，选取不同的化合物包括嵌段共聚物、不同种类的离子液体等中的一种或几种为模板剂，采用软模板辅助水热的方法，将原料与模板剂在一定温度下混合溶解均匀，后转移到水合釜中，水热环境下高温高压处理一段时间后得到炭材料的前驱体，离心干燥后在惰性氛围下高温碳化，得到具有不同形貌和孔结构且可调的炭材料，通过调节反应参数，比表面积达到931‑1629m²/g。本操作工艺的主要特点为利用海洋生物质资源，采用绿色环保的软模板/水热体系，将海洋生物质资源转化成高附加值的功能性炭材料。

所属技术领域：

本发明涉及纳米材料制备领域，特别是涉及一种形貌及孔结构可控的炭材料的制备方法

背景技术：

功能性纳米炭材料被广泛应用于储能，电池，超级电容器等领域，尤其是具有特殊形貌、孔结构的炭材料，通常因为比表面积及多级孔孔径分布可调，热稳定性和导电性优异等性能，受到学者越来越多的青睐。典型的纳米炭材料包括0D炭量子点，1D碳纳米管，2D石墨烯及3D石墨烯骨架的炭材料。其中炭量子点由于小尺寸效应(粒径小于10nm)具有许多别的材料不具有的优异特性；碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管，特殊的形貌和结构使其在超导、工程材料、复合材料领域具有广阔的应用前景。石墨烯材料内部碳原子以sp杂化轨道成键，每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态，因此具有优良的导电和光学性能，被认为是一种未来革命性的材料。但是上述性能优良的炭材料目前主要的制备方法还停留在电化学法、强酸条件下氧化还原法等传统化学手段，制备成本高、工艺复杂且环境不友好阻碍了它们的大范围推广使用。因此探索出成本低、制备工艺简单且形貌和孔结构可调控的炭材料具有一定意义。

海洋生物质资源储量丰富，是能够取代石油、煤等能源的可再生资源。甲壳素广泛存在于海藻、虾、蟹等海洋生物外壳中，是地球上存量极为丰富的自然资源，是一种线型的高分子多糖，由1000～3000个乙酰葡萄糖胺基本结构单元通过β-1，4糖甙链相互连接而成的聚合物，具有稳定六元环结构单元。以其为碳源通过调节添加模板剂的种类和比例能够保留其稳定的芳环结构，同时结构重组形成具有不同形貌的高稳定性的炭材料，得到功能化炭材料同时实现海洋生物质资源的高效利用与资源转换。

公开号为CN104437373A的中国专利介绍了一种纳米片状含氮多孔炭材料的制备方法，将碱和水溶性含胺基化合物溶解在水中，加入纤维素及其衍生物，混合干燥后得到纤维素或其衍生物包裹的碱与水溶性含胺基化合物结晶复合物，氮气保护下进行炭化，洗涤炭化产物获得纳米片状含氮多孔炭材料。调节碱与原料的比例可以有效调节纳米片多孔炭的比表面积、孔结构及片层厚度等。该法流程简单，易操作，反应需要碱做溶剂，并用酸清洗炭化产物，会对环境造成一定的负担。

公开号为CN104307383A的中国专利介绍了一种落叶松基有序球形孔结构炭膜的制备方法，以落叶松木屑为原料，以苯酚为液化剂，在酸性条件下，将落叶松液化得到落叶松液化物，与甲醛在碱性条件下反应生成落叶松基树脂，以P123为软模板，酸性条件下生成落叶松基有序球形孔结构炭膜中间相，氮气保护下高温煅烧得到产品，产物以生物质资源为原料，内部结构可控，得率高，反应需要使用大量的苯酚和甲醛，限制了实际生产应用。

公开号为CN104944411A的中国专利提供了一种采用软模板制备纳米介孔炭微球的方法。将结构导向剂和碳源加pH＝12的碱性溶液中混合，组装成复合体，然后对复合体进行加热老化，随后将老化产物进行炭化，得到纳米介孔炭微球。反应条件相对较温和，比表面积和孔道结构可控，但是反应要在强碱环境下进行，同时老化需要消耗较长时间，增加了工艺的工序。