[发明专利]一种复合有序孔结构的多孔碳及其制备方法

说明书

本发明涉及一种复合有序孔结构的多孔碳及其制备方法，所述多孔碳具有由两类孔复合而成的有序孔结构；其中一类孔来源于模板有序孔的复制，通过在孔壁表面沉积碳层而形成；另一类孔来源于模板的非孔道部分即孔壁，通过在孔壁上沉积碳层后再利用刻蚀技术去除孔壁而构筑新的孔道，该孔道的形状与模板孔壁结构一致且在结构空间内有序分布，其孔径大小为孔壁厚度；两类孔在空间内有序分布，形成有序介孔复合孔结构或有序微孔与有序介孔的复合孔结构。本发明所述的复合有序孔结构的多孔碳既保持了多孔硅基模板原有的孔结构特征，又通过孔壁刻蚀形成新的有序孔，作为电极材料的超级电容器展现出高比容量和高比功率的良好性能。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料技术领域，尤其涉及一种复合有序孔结构的多孔碳及其制备方法。

背景技术

多孔碳材料在气体吸附、分离、催化、储能等领域有广泛的应用。多孔碳的应用性能主要取决其孔结构及分布、比表面积和表面化学等性质等，调控多孔碳的孔结构(大小和分布)是开拓和改善其应用性能的重要技术途径。利用具有有序孔结构的硅基无机材料为模板，如SBA-15、MCM41、MCM48等，通过向其孔道内填充含碳前驱体，然后经过碳化及模板去除处理过程，可对硅基多孔模板进行反复制，制备有序多孔碳。通过调控有序多孔硅基模板的结构，可调控多孔碳的孔大小、结构和分布等[李娜等著，“模板法制备中孔碳材料”，《化学进展》第20卷第7/8期，2008年8月]。

然而，这种通过对模板进行反复制制备的有序多孔碳的方法只能制备具有一类有序孔结构的多孔碳，其有序孔源于模板孔壁去除留下的有序孔道，而模板原有的有序孔道则被固态碳填充，其原有结构特征难以保留，使模板原有的有序孔道及其表面无法得到利用，因而利用现有的硬模板方法制备的多孔碳在超级电容器等储能领域应用性能仍不理想。

发明内容

本发明提供了一种复合有序孔结构的多孔碳及其制备方法，既解决了传统模板法反复制难以保留模板原有孔结构特征的问题，又研究出了一种新的复合有序孔结构多孔碳材料及制备方法，通过保持多孔硅基模板原有的孔结构特征，又通过孔壁刻蚀形成新的有序孔，得到具有两类有序孔复合结构的多孔碳；所制备的具有复合有序孔结构的多孔碳作为超级电容器电极材料展现了高比容量和比功率的良好特性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种复合有序孔结构的多孔碳，所述多孔碳具有由两类孔复合而成的有序孔结构；其中一类孔来源于模板有序孔的复制，通过在孔壁表面沉积碳层而形成；另一类孔来源于模板的非孔道部分即孔壁，通过在孔壁上沉积碳层后再利用刻蚀技术去除孔壁而构筑新的孔道，该孔道的形状与模板孔壁结构一致且在结构空间内有序分布，其孔径大小为孔壁厚度；两类孔在空间内有序分布，形成有序介孔复合孔结构或有序微孔与有序介孔的复合孔结构。

所述第一类孔的孔径在8.0nm～12.0nm范围内变化。

所述第二类孔的孔径为1.2nm～5.0nm。

所述的一种复合有序孔结构的多孔碳的制备方法，包括如下步骤：

1)称取质量比为1:(1～5):(2～5)的硅氧烷、2-丙醇和浓度为5mol·L^-1的盐酸，依次倒入烧瓶中，超声混合均匀后转移到水浴中，加热到70～80℃，恒温0.5～3小时，配置成模板活化剂；

2)向步骤1)制备得到的模板活化剂中加入无机多孔硅基材料，无机多孔硅基材料与模板活化剂的质量百分比为0.5％～10％；在70～80℃恒温1～5小时，洗涤至滤液中性，抽滤，60℃下真空干燥后，得到活化的多孔模板；

3)将步骤2)制备得到的活化模板放入化学气相沉积炉中，在惰性气氛下，升温至600～800℃，然后在该温度下通入气相含碳前驱体，化学气相沉积时间控制在0.5～10小时，在活化模板孔壁上沉积一层碳层，之后在惰性气氛下冷却至室温，得到黑色固体粉末；