[发明专利]一种纤维素基三维多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纤维素基三维多孔碳材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将纤维素和活化剂进行干粉混合处理，获得混合物；其中，所述纤维素为乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧乙基纤维素和羟乙基纤维素中的一种或多种；所活化剂为碳酸氢钠和氢氧化钾中的一种或两种；将获得的混合物在惰性气体氛围下，进行高温处理，获得处理后产物；其中，所述高温处理采用阶梯升温法，最终升温至800℃以上；将所述处理后产物清洗、干燥，获得纤维素基三维多孔碳材料。本发明无需水热，采用干粉直接混合，并且反应产物即可作为模板造孔的快速、简便的三维多孔碳材料的制备方法，可降低工艺复杂度及生产成本。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，涉及锂硫电池正极材料领域，特别涉及一种纤维素基三维多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池因其高理论能量密度(2600Wh/kg)和低成本而成为下一代最有潜力的可充电电池之一。然而，由于硫的低导电性和循环过程中产生的可溶性多硫化物中间体的扩散，导致硫利用率低、正极活性物质损失和多硫化物穿梭等问题，严重阻碍了锂硫电池的实际应用。多孔碳材料的孔洞结构对多硫化物起到了物理限域的作用，能够抑制多硫化物的溶解，提升容量与循环稳定性，同时大的孔体积能负载高载量硫，提升整体电池能量。

目前制备三维多孔碳材料最常用的方法是模板碳化法、化学活化法等。模板碳化法的核心是通过去除碳化物中的非碳元素(模板)，得到具有高的表面积和可调整孔径的碳材料(碳化物衍生碳)；但复杂的合成工艺和严格的洗涤工艺限制了其大规模生产，且其制备过程中使用有毒气体，如氯。化学活化法是将前驱体和反应性化学物质在惰性环境中混合并加热，再经洗涤、干燥得到目标碳材料的方法；此方法制备前驱体过程复杂，常需要水热处理，再经洗涤、干燥，然后将前驱体与活化剂的水溶液混合，干燥后得到复合前驱体，整体工艺复杂，成本偏高。

综上，亟需一种新的三维多孔碳材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素基三维多孔碳材料及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的制备方法中，将纤维素和反应性化学物质的混合物在惰性环境中加热制备三维多孔碳材料；本发明的方法是一种无需水热、干粉直接混合，并且反应产物即可作为模板造孔的快速、简便的三维多孔碳材料的制备方法，可降低工艺复杂度及生产成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种纤维素基三维多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将纤维素和活化剂进行干粉混合处理，获得混合物；其中，所述纤维素为乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧乙基纤维素和羟乙基纤维素中的一种或多种；所活化剂为碳酸氢钠和氢氧化钾中的一种或两种；

将获得的混合物在惰性气体氛围下，进行高温处理，获得处理后产物；其中，所述高温处理采用阶梯升温法，最终升温至800℃以上；

将所述处理后产物清洗、干燥，获得纤维素基三维多孔碳材料。

本发明的进一步改进在于，获得的纤维素基三维多孔碳材料为反蛋白石结构活性炭材料。

本发明的进一步改进在于，所述进行高温处理时，采用可通气管式炉。

本发明的进一步改进在于，所述将纤维素和活化剂进行干粉混合处理，获得混合物的过程中，所述纤维素与所述活化剂的质量比例为1:(1～4)。

本发明的进一步改进在于，所述惰性气体氛围为氮气、氩气或氦气氛围。

本发明的进一步改进在于，所述将所述处理后产物清洗、干燥的过程中，清洗的具体步骤包括：

将所述处理后产物与盐酸中浸泡12h以上；

抽滤，获得酸洗后产物；