[发明专利]一种煤基多孔碳的制备方法

说明书

本发明公开提供一种煤基多孔碳的制备方法，包括如下步骤：以不同比例的造孔剂和碳源混合均匀放入绝缘耐高温的管状反应容器中，压制成块，两端用石墨块紧密压实密封，管状反应容器两端安装铜电极，铜电极连接电容；通过电容放电产生焦耳热，对管状反应容器中的原料高温热冲击，峰值温度为2500‑3000℃，原料能量密度大于2.5kJ/g，快速合成煤基多孔碳；将步骤S2制得的混合粉体经过水洗，去除未反应完全的活化剂、占位剂。成功合成的煤基多孔碳，具有成本低和优异的电化学性能，为超级电容器的应用奠定了基础，并为扩大多孔碳在储能领域的应用提供了可能性。

技术领域

本公开涉及材料制备领域，具体涉及一种煤基多孔碳的制备方法。

背景技术

空心碳球HCS作为碳族材料的一员,具有高比表面积、低密度、优良的导电性、可调孔隙率和良好的机械强度等优点,是几种比较优秀的碳质基体之一。

高温热冲击技术制造纳米材料的主要挑战在于精确控制所制备纳米材料的形态和结构。用高温热冲击法制备的纳米材料通常显示出纳米级的固态球体形态，缺乏复杂的层次结构，如中空，核-壳，蛋黄-壳和多壳结构，限制了储能领域性能的进一步提高。

当前可用的三维活性炭材料具有高的表面积，但是不幸的是具有低的介孔率，并且由于电解质的可及性低，再加上它们较差的电导率，会产生较高的内阻，从而导致电容器的功率密度较低。

为了提高超级电容器的性能，已经广泛研究了各种碳纳米材料作为超级电容器的电极材料。其中，一维的碳纳米管具有高纵横比，比表面积大(SWNT1600m² g^-1，MWNT430m²g^-1)以及良好的机械和电气(～5000S cm^-1)特性有被用作超级电容器中的有源电极二维石墨烯在结构和性能上与CNT有很多相似之处，包括高纵横比，横向尺寸与厚度之比，较大的表面(2630m² g^-1)，优异的载流子迁移(15000cm² V^-1s^-1对于电子和空穴)，和良好的机械性能，是碳纳米管潜在有吸引力的候选者。

但CNT/石墨烯材料的聚集倾向于导致表面积的损失，并且因此降低了器件的性能。具有各种3D结构的碳纳米材料，例如CNT阵列，石墨烯泡沫和3D柱状VA-CNT/石墨烯网络，可以一家程度上解决其团聚问题，但其本身会不同降低材料的比表面积且其程序在大多数情况下是耗时的。

同时与当前商业的介孔/活性炭相比，相对较高的成本是将碳纳米材料按比例放大用于超级电容器的一大挑战。因此，亟需一种流程简单、成本低廉、拓展性的方法来开发且有多孔结构、电导率良好、高性能超级电容器的碳材料

煤沥青是煤焦油加工过程中，经过蒸馏去除液体馏分以后的残余物，煤沥青约占煤焦油总量的50％～60％，是焦炭生产过程中的副产品，价格便宜，资源丰富。仅中国煤焦油的年产量就约为2000万吨。煤沥青中富含活性多环芳烃，由单链或桥键连接。与石墨烯中的碳环相比，煤沥青中的多环芳烃很容易芳香化，形成大片状薄膜，可进一步转化为石墨烯状纳米片。

目前的煤基多孔碳制备均采用能耗高、周期长的辐射热煅烧法，而创新的高温热冲击(HTS)技术基于电焦耳加热，整个HTS过程仅持续几毫秒。在这么短的时间内，反应温度可以瞬间达到超高水平(3000K)，加热/冷却速率为10⁵K s^-1。

近来，该技术已广泛应用于各种功能纳米材料的制备中，尤其是在能量存储和转换中的应用。在此，合理设计的高温热冲击工艺，例如，改变外部环境，使用添加剂和二次处理被认为可以诱导具有明确定义的尺寸，形态，结构和晶相的功能纳米材料的合成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的局限，提供了一种基于电容放电的高温热冲击法合成煤基多孔碳的方法，本方法具有工艺路线短、原料成本低、能耗低和生产速度快等优点。