一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，包括下列步骤：将可热解含碳高分子化合物、碳酸盐在同一有机溶剂体系中均匀混合，碳酸盐不溶于有机溶剂；将固液混合体系进行溶剂热反应；分离得到溶剂热反应后的固体产物，烘干；将烘干后的固体产物在600~950℃、惰性气氛下高温处理1~12h；将上述高温处理后的产物洗涤，烘干。本发明专利技术具有原料易获取且对原料的种类没有严格限定、生产工艺相对简单、污染小、易于实现量产、制备所得材料具有多级孔结构、孔径大小及数量在较大范围内可控、且电化学性能良好的有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法
本专利技术涉及超级电容器材料
，具体涉及一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法。
技术介绍
超级电容器因其充放电速度快、储能密度高、循环寿命长、工作温限宽等优点而日益受到关注。超级电容器主要包括：集流体、电解质、电极和隔膜。其中，电极材料的结构和特性是决定超级电容器性能的关键。因此，研发高性能的超级电容器电极材料具有重要的意义。随着科技的发展，低密度材料也越来越受到人们重视，尤其是超轻材料的诞生使得低密度材料上了一个新的台阶。超轻材料指的是密度小于10mg/cm3的固体材料，具有优异的比强度、比刚度和耐热性，还具有良好的结构性能和物理及化学性能。多孔炭质电极材料是一种常见的低密度材料，也是进行双电层电容器研究最常用的电极材料之一。泡沫炭，作为多孔炭质电极材料的一种，由于其三维立体网状多孔结构，除具有普通炭材料的性能外，还具有密度小、比表面积大、力学性能好、抗热冲击性能好、可调的导热系数和介电系数、吸波性能佳、结构可控等一系列力学、声学、光学、电学、热学特能，已经被研究应用于超级电容器的电极材料。目前，泡沫炭的制备方法包括：热固性聚合物的分解，发泡法，溶胶-凝胶法，Pocofoam法，模板法，倒置相位法。虽然已经有了多种泡沫炭的制备方法，但这些方法所采用的原料大多具有一定的毒性，且对原料的种类有严格的限定，原料的年产量不高，难以大量获取，而且生产工艺复杂，污染较大，难以实现量产。此外，现有技术制备得到的泡沫炭中的孔结构都比较简单，孔结构的孔径分布比较集中，具有分级多孔结构的泡沫炭材料未见报道。如授权公告号为CN104036973B公布的一种超级电容器用富氮泡沫炭电极材料及其制备方法，采用酸处理后的泡沫镍为辅助模板，以氰酸酯为原料，经过预聚、浇注成型、固化、炭化、模板去除工艺制得超级电容器用富氮泡沫炭电极材料。该方法制得的泡沫炭材料孔径均匀、氮含量高、导电性好、孔隙率和开孔率高、强度高；同时其比容量高，循环性能好；且无需发泡工艺、可实现复杂结构成型。但是，原料氰酸酯有毒有害，且年产量低，难以大量获取；制备过程中需要用到酸处理后的泡沫镍为辅助模板，成本高且资源浪费；生产工艺需要经过预聚、浇注成型、固化、炭化、模板去除工艺，工艺复杂，污染大，难以实现量产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种原料易获取且对原料的种类没有严格限定、生产工艺相对简单、污染小、易于实现量产、制备所得材料具有多级孔结构、孔径大小及数量在较大范围内可控、且电化学性能良好的可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法。本专利技术解决技术问题采用的技术方案是，提出一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，包括下列步骤：步骤一：将可热解含碳高分子化合物、碳酸盐在同一溶剂体系中混合，形成使可热解含碳高分子化合物均相分散而碳酸盐混悬或乳浊的混合体系；步骤二：对所述混合体系进行热反应，分离，得到固态物；步骤三：将所述固态物烘干，得烘干物；步骤四：将所述烘干物在高达600~950℃的惰性气氛下热处理1~12h，得热处理产物；步骤五：将所述热处理产物洗涤，二次烘干。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述可热解含碳高分子化合物为淀粉、羧甲基淀粉、糊精、环糊精、纤维素及其衍生物或其盐类中的一种或多种。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述碳酸盐为碱金属或碱土金属的碳酸盐。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述同一溶剂体系为乙醇。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述碳酸盐为碳酸钙，所述碳酸钙的平均粒径为1~500nm。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述可热解含碳高分子化合物、碳酸盐的摩尔比以碳元素计为（2~6）∶1。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述混合体系的固液比为（0.1~1）g∶15mL。作为上述技术方案的优选，步骤一中，所述碳酸钙，以质量份计，包括平均粒径为2~10nm的碳酸钙10~20份，平均粒径为10~100nm的碳酸钙60~70份；平均粒径为100~500nm的碳酸钙10~30份；所述混合体系的固液比为（0.5~0.8）g∶15mL。作为上述技术方案的优选，步骤二中，热反应的温度为160~200℃，反应时间为8~24h；步骤三中，烘干温度为50~80℃；步骤四中，热处理的温度为850℃~950℃。作为上述技术方案的优选，步骤五中，洗涤具体为：先用稀盐酸浸泡1~16h，再用去离子水洗涤；二次烘干温度为60~80℃。本专利技术具有如下有益效果：1、碳酸盐不溶于有机溶剂体系中，碳酸盐颗粒在溶剂热过程中作为模板形成了大孔；在高温处理过程中，碳酸盐分解产生二氧化碳，二氧化碳可以活化泡沫炭材料，从而形成微孔及介孔；分级多孔的特殊结构使得该材料拥有良好的电化学性能，特别是优异的比电容性能；通过改变碳酸盐的种类和粒径、高温处理的温度和时间，也能调控介孔、微孔的孔径数量和孔径大小。2、采用可热解含碳高分子化合物作为泡沫炭材料的碳源，原料易获取；而且该制备方法所采用的碳源可以是多种可热解含碳高分子化合物的混合，突破了对碳源种类单一的限定，淀粉、羧甲基纤维素等都可以作为碳源，大幅提升了实际生产中的可操作性；此外，整体的制备方法只有五个步骤，而且只有步骤二和步骤四对生产设备有较高要求，生产工艺简单。3、选用碳酸钾和/或碳酸钠和/或碳酸钙为碳酸盐，选用乙醇为有机溶剂，整个制备过程中不涉及到剧毒性物质，污染小；碳酸钙的平均粒径为1-500nm时，制备所得材料具有明显的多级孔结构，电化学性能更好。4、选用淀粉为可热解含碳高分子化合物，选用碳酸钠为碳酸盐，通过控制淀粉、碳酸钠的摩尔比以碳元素计为（2~6）∶1，优化了泡沫炭的孔结构。5、通过控制步骤一中混合体系的固液比为1g∶18mL，保证了溶剂热反应的顺利进行、确保泡沫炭材料的电化学性能，同时兼顾了产量。控制碳酸钙的组成，以质量份计，包括：平均粒径为2~10nm的碳酸钙10~20份，平均粒径为10-100nm的碳酸钙60~70份；平均粒径为100~500nm的碳酸钙10~30份；，制备所得材料中具有独特的大孔、介孔、微孔的数量和分布，并激活暴露各种孔径，起到协同调节、激活暴露的作用，同时具备良好的导电通道和空隙空间，电化学性能好。6、控制碳酸钙的组成，以质量份计，包括：平均粒径为2~5nm的碳酸钙10~20份，平均粒径为45~55nm的碳酸钙60~70份；平均粒径为200~300nm的碳酸钙10~30份；制备所得材料中具有独特的大孔、介孔、微孔的数量和分布，协同效应更加明显，电化学性能更好。7、通过溶剂热反应，并进行后续的高温处理制备泡沫炭，可以通过采用大的溶剂热反应容器和高温处理设备实现量产。8、步骤三中烘干的温度为50~80℃，既能脱除有机溶剂，又防止了材料的氧化。9、步骤四中高温处理的温度为850℃，与其它泡沫炭的制备方法相比，能耗较低；高温处理在氮气气氛下进行，防止了材料氧化，且成本低；步骤四中高温处理的温度为950℃时，碳酸盐基本完全分解，可以得到更多的微孔、介孔结构。10、步骤五中将高温处理后的产物先用稀盐酸浸泡1~16h，可以去除产物中的灰分等生物质杂质、残留的碳酸盐等，再用去离子水洗涤除去残留的盐酸及其他杂质；烘干温度为60-80℃，防止了材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，包括下列步骤：步骤一：将可热解含碳高分子化合物、碳酸盐在同一溶剂体系中混合，形成使可热解含碳高分子化合物均相分散而碳酸盐混悬或乳浊的混合体系；步骤二：对所述混合体系进行热反应，分离，得到固态物；步骤三：将所述固态物烘干，得烘干物；步骤四：将所述烘干物在高达600~950℃的惰性气氛下热处理1~12h，得热处理产物；步骤五：将所述热处理产物洗涤，二次烘干。

【技术特征摘要】
1.一种可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，包括下列步骤：步骤一：将可热解含碳高分子化合物、碳酸盐在同一溶剂体系中混合，形成使可热解含碳高分子化合物均相分散而碳酸盐混悬或乳浊的混合体系；步骤二：对所述混合体系进行热反应，分离，得到固态物；步骤三：将所述固态物烘干，得烘干物；步骤四：将所述烘干物在高达600~950℃的惰性气氛下热处理1~12h，得热处理产物；步骤五：将所述热处理产物洗涤，二次烘干。2.根据权利要求1所述的可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述可热解含碳高分子化合物为淀粉、羧甲基淀粉、糊精、环糊精、纤维素及其衍生物或其盐类中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述碳酸盐为碱金属或碱土金属的碳酸盐。4.根据权利要求1所述的可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述同一溶剂体系为乙醇。5.根据权利要求1所述的可调分级多孔泡沫炭材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述碳酸盐为碳酸钙，所述碳酸钙的平均粒径为1~500nm。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云芳，傅寒立，蔡良波，徐新，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33