[发明专利]一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途。所述方法包括以下步骤：(1)将活化剂与碳源混合，在保护性气体下进行活化，得到活化材料；所述碳源为木材废弃物；(2)对步骤(1)所述活化材料进行酸浸，得到多级孔碳材料；(3)对步骤(2)所述多级孔碳材料进行掺杂，在保护性气体下进行碳化氧化，得到所述掺杂多级孔碳材料。本发明提供的制备方法充分利用废弃的边角料，通过高温活化、掺杂碳化等一系列过程制备具有多级孔道结构的木材废弃物基掺杂多级孔碳材料，并可以用于超级电容器的电极材料和锂电池的隔膜改性。

技术领域

本发明属于电化学功能材料制备技术领域，涉及一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途。

背景技术

多孔碳，是由不规则排布的微晶构成具有大量孔隙结构的无定形碳，通常稳定的物理化学性质，较高的比表面积，是最早开始于工业生产和应用的电容器电极材料。多级孔碳材料是同时含有微孔(小于2.0nm)、介孔(2.0～50nm)、大孔(大于50nm)的碳材料。碳基双层电容器性能的优劣，主要由电极材料和电解液来衡量。多级孔碳是组成电容器电极材料的重要选择。目前已有大量研究通过改善多级孔碳材料的质量进行改善其电容器的性能。文献资料报道【Simon P,Gogotsi Y.Materials for electrochemical capacitors[J].Nat.Mater.2008, 7,845-854.】：电极材料的离子可接触比表面积A与双电层电容器比电容成正比：

式中：ε_r为电解液介电常数，ε_o为真空介电常数，d为电解液离子和碳材料表面的距离。当然，多级孔碳材料的孔隙结构也直接影响了电解液离子在电极材料中传输速度，一般认为大孔储存电解液，介孔传输电解液离子，微孔形成双电层电容。同时，也有一些报道通过掺杂发型碳材料的元素组成，来提高超级电容器的性能，甚至有将过渡金属氧化物等对碳材料进行改性。另外多级孔碳材料也逐渐用于锂电池的隔膜改性以增强锂电池的循环、倍率等性能。

我国地大物博、物资丰富，对于木材的使用已有数千年的历史，在木材的使用过程中会伴随着边角料的产生，例如树皮、树枝、树叶、树根、木屑、废弃木材等，这些边角料通常会被粉碎用于制作压缩板，甚至被丢弃，这将严重造成资源浪费。

CN108069410A公开了一种一种天然木材多孔碳材料及其制备方法，它是将切割成片状的天然木材在空气中加热预处理后，再在强碱水溶液中浸泡并烘干，然后于保护气下高温热解制得的；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种。

CN108315028A公开了一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料及其制备方法和应用，其制备方法包括：将一种或多种木材的木质部进行粉碎混合，得到粗粉；所述木材包括杨木、枣木、柳木、松木或梧桐木中的一种或多种；在300℃ -600℃的惰性气氛中保温1-5小时，对所述粗粉进行预碳化处理，得到预碳化材料；以0.5℃/min-10℃/min的升温速率升温至800℃-1600℃，在惰性气氛中对所述预碳化材料热处理1-10小时，使所述预碳化材料发生碳化、裂解反应；冷却后，得到所述具有纵向孔结构的热解硬碳材料。

CN108609605A公开了锂离子二次电池负极碳材料及其制备方法、锂离子二次电池负极材料和锂离子二次电池。其制备方法包括：S1、将密度ρ≥1.1g/ml 的树木木材进行炭化，保留树木木材的木质素，制得木炭；S2、将木炭粉碎成木炭粉，并干燥去除水份；S3、将干燥后的木炭粉进行前处理，去除挥发粉和杂质；S4、将前处理后的木炭粉进行表面改质处理，减少木炭粉表面的气孔； S5、将改质处理后的木炭粉进行真空热处理，即可。

但是上述方法在产品的比表面积、孔道结构以及电化学性能上均有待进一步提高。

发明内容