[发明专利]一种用于超级电容器的层次化多孔结构碳材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种用于超级电容器的相互连通的层次化多孔结构碳材料的制备方法。本发明以蛋壳为模板，琼脂为碳源，聚乙烯吡咯烷酮为氮源。首先将蛋壳和琼脂在一定浓度的聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合均匀，然后在惰性气氛中，将所得混合物在800‑1000℃的温度下保温1‑3h，再进行酸洗、水洗和烘干，即得具有相互连通的层次化多孔结构碳材料。所述蛋壳是去除蛋膜的，其主要成分为碳酸钙，并具有多孔结构；蛋壳会在一定温度下发生分解，产生二氧化碳，二氧化碳又对碳材料进行活化，在碳材料中形成大量的微孔，将大孔、介孔连通起来，形成相互连通的层次化多孔结构的碳材料。本发明碳材料用作超级电容器的电极材料时，具有优异的电化学循环稳定性。

技术领域

本发明属于碳材料的制备及应用领域，更具体地，属于一种相互连通的层次化多孔结构碳材料的制备方法及其在超级电容器中的应用。

背景技术

由于多孔碳材料具有大的比表面积，低密度，高化学稳定性以及良好的导电、导热等性能，在吸附和储能领域有着广泛的应用。多孔碳材料一般是由物理活化、化学活化以及模板法制得。物理活化通常是指在氧化气氛 (如水蒸汽、二氧化碳) 中对碳的前驱体进行高温处理；化学活化通常是指在活化剂 (磷酸、氢氧化钾和氯化锌等) 存在的条件下，对碳的前驱体进行高温处理；模板法是指将碳的前躯体与模板混合均匀，然后再进行碳化处理，最后除去模板得到一种多孔碳材料。通过不同的制备方法，能够制备出具有不同比表面积、不同孔径分布和不同孔结构的多孔碳材料。虽然目前能够制备出具有较高比表面积的多孔碳材料，但对其孔径分布和孔结构的控制仍具有很大的挑战性。

具有大孔(﹥50nm)－介孔(2-50nm)－微孔(＜2nm) 层次化多孔结构碳材料具有普通多孔碳材料更加优异的吸附和能量存储能力。模板法已被证明为多孔可控材料，特别是有序多孔材料以及层次化多孔结构碳材料的合成最适合的方法之一[J. Mater. Chem.,2006, 16, 637–648]，但由于其相对较高的生产成本，限制了其在层次化多孔结构碳材料合成中的广泛应用，开发一种简单，经济和环保的层次化多孔结构碳材料的合成路线，将有利于它们的产业化应用。

蛋壳属于常见的生活垃圾，目前还没有有效的回收利用方式。一种鸡蛋壳衍生三维蜂窝状碳材料的制备方法指出鸡蛋壳的成分主要是碳，直接采用鸡蛋壳作为碳源制备出三维蜂窝状碳材料，其中的鸡蛋壳实际上是指蛋壳和鸡蛋膜。

发明内容

为了解决现有的层次化多孔结构碳材料制备过程中存在的生产成本高、制备过程复杂以及存在大量的不能相互连通的死孔等问题，本发明提供一种用于超级电容器的相互连通的层次化多孔结构碳材料的制备方法。

一种用于超级电容器的相互连通的层次化多孔结构碳材料的制备方法的操作步骤如下：

（1）. 将去除了蛋清、蛋黄以及蛋膜的蛋壳在温度300-350℃条件处理1-6小时；研磨成细粉过40-50目筛，即得到蛋壳粉；

（2）. 将2-12g蛋壳粉和4g琼脂，加入到80ml浓度0.1%-5%的聚乙烯吡咯烷酮水溶液中，在温度25-100℃条件下混合均匀，干燥，得到蛋壳和琼脂的混合物；

（3）. 在惰性气氛中，将所述混合物在在温度800-1000℃条件下，碳化1-3小时，得到碳化物；

（4）. 将所述碳化物进行酸洗、水洗和烘干，即用于超级电容器的的相互连通的层次化多孔结构碳材料；

所述层次化多孔结构碳材料的比表面积为249-1133 m² g^-1；经10000次电化学循环，其放电比电容是首次放电比电容的96-99%。

进一步限定的技术方案如下：

步骤（1）中，所述蛋壳为鸡蛋壳、鸭蛋壳、鹅蛋壳和鸟蛋壳中的一种或几种的混合。

步骤（1）中，升温速率为1 ℃/min。