本发明专利技术属于材料技术领域，公开一种高比表面积层次孔炭材料及其制备方法和应用，首先是线性聚苯乙烯以无水四氯化碳为溶剂和交联剂，在无水三氯化铝催化下，经Friedel-Crafts交联反应后洗涤、干燥和炭化得到聚苯乙烯基层次孔炭材料，该材料经KOH活化后洗涤、干燥得到高比表面积层次孔炭材料。本发明专利技术工艺简单，所得炭材料具有独特的层次性纳米结构，基元炭胶体颗粒堆叠形成中孔和大孔，内部有大量三维微孔和小中孔，各层次纳米孔道紧密相连，使BET比表面积达到1820～3100m2/g，孔容为1.13～2.18cm3/g，其中微孔占24～51％，外部中孔和大孔占49～76％，可用于制备电化学电容器的电极材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料
，特别涉及一种利用活化技术制备的高比表面积层次孔炭材料及其制备方法和应用。
技术介绍
作为一类新颖的纳米炭材料，层次孔炭材料以兼具微孔、中孔和大孔三元孔径合理分布的独特空间结构特点，已在材料科学领域引起了广泛的关注。目前层次孔炭材料的合成通常采用模板法或者模板-活化联合法，这严重地限制了它的工业应用前景。主要原因在于(1)软模板剂(例如ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0三嵌段共聚物)价格昂贵；(2)用作硬模板剂的纳米二氧化硅或者其它材料通常需预先制备且工艺繁琐，成本高。最近，中国专利CN 101698477B(申请号200910193797. 0)通过在苯乙烯系聚合物间构筑羰基交联桥，实现了层次孔炭材料的免模板法制备。这种具有独特纳米结构的新型层次孔炭材料由基元炭颗粒构成，基元炭胶体颗粒内部含有三维网络微孔(< 2nm)，基元炭胶体颗粒相互堆叠形成三维网络中孔O 50nm)和大孔(> 50nm)，各层次纳米孔道紧密相连。研究表明，通过中/大孔通道相互连通的微孔网络，非常有利于电解质离子的进入，从而具有快速的离子转移能力和高效的电化学活性表面，因此，这些层次孔炭材料的储电性能，尤其是其功率特性，明显优于传统电极材料(例如有序中孔炭、活性炭及炭气凝胶等)，在超级电容器等领域中显示出巨大的应用前景。然而，该材料存在亟待解决的结构缺陷炭骨架孔隙率低，缺乏足够的电化学储能活性位点。聚苯乙烯基层次孔炭材料炭骨架上仅含有少量来源于三维网络型微孔结构中的微孔，比表面积仅为500 800m2/g，炭骨架所占空间很难被利用来储存电荷，不利于能量密度的提高。因此，采用简单、有效的工艺方法，在保持中/大孔网络炭骨架完好的前提下，增多炭骨架上孔洞的数量，进而提高聚苯乙烯基层次孔炭的比表面积以增加电化学储能活性位，最终获得高能量/高功率密度储能纳米炭材料，具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的首要目的在于提供一种高比表面积层次孔炭材料的制备方法。该方法以廉价易得的聚苯乙烯为原料，制备工艺简单易行。本专利技术的另一目的在于提供上述方法制备得到的高比表面积层次孔炭材料。本专利技术的再一目的在于提供上述高比表面积层次孔炭材料的应用。该高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料可用于制备高能量密度/高功率密度电化学电容器的电极材料。本专利技术的目的通过下述技术方案实现一种高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料的制备方法，包括以下操作步骤(1)将线性聚苯乙烯加入无水四氯化碳中，搅拌至线性聚苯乙烯完全溶解，得到聚苯乙烯四氯化碳溶液；(2)将无水三氯化铝置于反应容器中，加入无水四氯化碳，回流溶解后，加入步骤(1)所得聚苯乙烯四氯化碳溶液，搅拌条件下加热回流进行Friedel-Crafts反应；(3)加入乙醇/水混合溶剂终止Friedel-CraftS反应，过滤得到固体产物，经洗涤、过滤和干燥后，得到层次孔聚苯乙烯材料；(4)将步骤C3)所得层次孔聚苯乙烯材料置于炭化炉中，在惰性气体气氛下加热炭化，得到聚苯乙烯基层次孔炭材料；(5)将聚苯乙烯基层次孔炭材料与KOH在水/乙醇溶液中充分混合，将混合物干燥；(6)将步骤( 所得的混合物置于活化炉中，在惰性气体气氛下加热进行高温活化，活化产物经洗涤、过滤和干燥后，得到高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料。所述步骤(1)至步骤C3)中线性聚苯乙烯无水三氯化铝无水四氯化碳乙醇 /水混合溶剂的用量配比为0. 2 IOg 3 Mg 100 400ml 100 200ml，其中步骤(1)中无水四氯化碳的用量为6 300ml。所述步骤(5)中聚苯乙烯基层次孔炭材料Κ0Η的用量配比为Ig 0. 5 Sg。所述活化条件为以2 5°C /min的升温速率升温至500 900°C，炭化2 6h。为了更好地实现本专利技术，所述步骤O)中回流装置带有装载无水氯化钙的干燥管；所述回流溶解是在30 75°C回流溶解20 80min ；所述Friedel-Crafts反应的条件为在30 75°C下反应2 72h。所述步骤(3)中乙醇/水混合溶剂为将体积百分比为95%的乙醇和水按1 8 1的体积比混合而成，其用量为100 200ml所述过滤条件为室温减压抽滤；所述洗涤条件为用由乙醇和稀盐酸按1 5 1的体积比混合而成的溶液洗涤1 5次，用由乙醇和水按1 6 1的体积比混合而成的溶液洗涤1 6次，每次洗涤后过滤，所述过滤条件为室温减压抽滤；所述乙醇为体积百分比为95%的乙醇，所述稀盐酸为体积百分比为5% 的盐酸；所述水为去离子水；所述干燥条件为105 110°C下干燥2 Mh。所述步骤(4)中惰性气体气氛为200 SOOml/min流速的氮气气氛；所述炭化条件为以2 5°C /min的升温速率到300 900°C，炭化2 6h。所述步骤(5)中水/乙醇溶液是将2 20ml水与2 6ml无水乙醇混合而成； 所述聚苯乙烯基层次孔炭材料为将步骤中聚苯乙烯基层次孔炭材料研磨后过筛，得到 100 400目的聚苯乙烯基层次孔炭材料。所述步骤(6)中惰性气体气氛为200 SOOml/min流速的氮气气氛；所述洗涤之前将活化产物的温度降低至50°C以下；所述洗涤条件为用去离子水和浓盐酸按5 20 1的体积比混合而成的溶液在沸腾条件下洗涤2 8次，再用去离子水洗涤1 6次; 所述干燥条件为105 110°C下干燥6 Mh。一种高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料就是由上述方法制备而成的。上述高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料可用于制备电化学电容器的电极材料。本专利技术的原理是本专利技术首先以线性聚苯乙烯为反应原料，无水四氯化碳为溶剂和交联剂，无水三氯化铝作为催化剂，在一定温度下搅拌加热回流反应一段时间，随后终止 Friedel-Crafts反应并发生水解反应，过滤得到固体产品，经洗涤和干燥后得到层次孔聚苯乙烯材料。然后，在惰性气氛中炭化得到层次孔炭材料，再将所得的基层次孔炭材料以一定的比例与KOH在乙醇/水的混合溶剂中搅拌均勻，经烘干、惰性气氛中的高温反应、酸洗、过滤、水洗中和、干燥等步骤后得到高比表面积层次孔炭材料。研究发现= (I)KOH活化能够有效对所得层次孔炭材料的聚苯乙烯基炭骨架进行刻蚀造孔，生成了大量的微孔和小中 ？L使样品的比表面积得到极大的提高，最高可达3100m2/g以上；O)KOH活化不会导致层次孔炭材料的三维纳米网络骨架坍塌，因此层次孔结构在活化过程中能够得到有效继承。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果(1)本专利技术通过KOH活化技术在聚苯乙烯基层次孔炭材料的基元炭胶体颗粒上刻蚀出较多的储能孔洞，BET比表面积为1820 3100m2/g，孔容为1. 13 2. 18cm7g，其中微孔孔容占对 51%，外部孔(即中孔和大孔)孔容占49 76%，而且制备工艺简单、设备要求低，易实现工业化生产。(2)在高刻蚀程度下，例如，在KOH与聚苯乙烯基层次孔炭质量比为6时，活化没有导致层次孔结构发生坍塌，由此开发出高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料，应用前景广阔。(3)当该材料用作于超级电容器电极材料时，在离子液体电解液中获得的比电容为1 191F/g，在有机电解液中获得的比本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴丁财，钟辉，梁业如，符若文，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：
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