[发明专利]一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料及其制备方法和应用，其制备方法通过调控煤沥青、纳米金属氧化物和碱金属氢氧化物的配比，以及碳化温度和时间，所制得的碳材料在保留笼状纳米结构的同时增大了比表面积，可以用于制备超级电容器，作为其正极材料，可提高界面的离子转移速率，从而提高了倍率性能和循环稳定性。本发明提供的制备方法能耗低，原料简便易取，操作简单，易于实现，不仅为目前煤沥青的循环再利用提供了很好出口，也可为锌离子混合超级电容器提供很好的正极材料。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，更具体地，涉及一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料在我们的日常生活中无处不在。目前，碳材料被广泛用作吸附剂、载体，甚至无金属催化剂，以应对紧迫的全球挑战，包括但不限于能源和环境问题。碳在自然界中含量丰富，成本较低，化学稳定性和热稳定性较高。它具有可调的表面积和原子/纳米尺度上的多种结构形式，并且定义了异常广泛的物理化学性质，以满足不同的应用。碳的多孔状态无疑深刻地影响着它们的性质和功能。在碳上设置不同大小和形状的孔可以降低其表观密度，扩大其表面积，加速界面能和传质，这是许多与表面相关的物理和化学过程中至关重要和决定性的一步。碳在微孔、中孔和大孔的层次结构概念在多孔碳群落中得到了很好的发展，因为它平衡了活性位点的高密度和低扩散阻力。大孔作为高速输运通道，而微孔和中孔提供了一个大的比表面积，承载着非均相反应的活性位点。因此，多孔碳材料的合理设计、构筑和开发是一项具有重大社会和经济意义的课题，尤其对能源相对短缺的及环境污染较严重的中国来说，更具有重要的现实意义。

煤沥青，作为煤焦油蒸馏提取各馏分后的残留物，是焦油加工中的大宗产品。以煤沥青作为原料制备碳材料有以下优势：首先，煤沥青中碳元素含量高，碳化后所得碳材料收率高，且易于形成石墨结构；其次煤沥青产量巨大、来源丰富、价格低廉，有利于实现储能碳材料的规模化制备。综上所述,煤沥青作为一种廉价富碳的复杂混合物,根据其独特的物理性质和化学组成,将其转化为具有高附加值的电化学储能材料,一方面可以降低储能材料的制备成本,另一方面可以提升煤沥青的附加值,对延长传统煤化工的产业链,实现资源的综合可持续利用具有重大意义。然而，目前对煤沥青的有效利用较少且基于煤沥青衍生的碳材料在制备过程上仍存在一些问题。例如，产品制备周期长、成本高、工艺复杂以及对仪器设备要求高等问题。因此，通过设计低成本、短周期等简易工艺流程来制备高性能的煤沥青衍生碳材料是本领域技术人员的研究重点。中国专利CN106430144A公开了一种基于片状氧化镁模板制备沥青基多级孔碳片的方法，其中利用片状氧化镁和碱金属氢氧化物溶液混合，干燥后，经过两次高温碳化，得到多级孔碳，但是该方法步骤繁琐，需要两次碳化，能耗高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有碳材料制备方法繁琐，需要两次碳化，能耗高的缺陷和不足，提供一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料的制备方法，直接将煤沥青、纳米金属氧化物和碱金属氢氧化物按照一定配比混合，无需经过干燥，通过调控碳化时间和温度，获得具有笼状纳米结构、更大比表面积的纳米材料，制备方法简便易操作，且仅通过一步碳化，能耗低，所制得碳材料在保留笼状纳米结构的同时，增大了比表面积。

本发明的又一目的是提供一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料。

本发明的另一目的是提供一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种纳米笼状煤沥青衍生碳材料的制备方法，包括如下步骤：

以煤沥青为碳源，纳米金属氧化物为模板，碱金属氢氧化物为刻蚀剂，其中煤沥青、纳米金属氧化物和碱金属氢氧化物的用量比为0.5～3g：0.05～0.2mol：0.035～0.1mol；将煤沥青、纳米金属氧化物和碱金属氢氧化物混合均匀后球磨1～5小时后，球磨转速是800～1200rpm；将所得混合物在惰性气氛下进行高温碳化，所述碳化的温度为600～1000℃，所述碳化的时间为0.5～4h，得到纳米笼状煤沥青衍生碳材料。