一种分级多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种分级多孔碳材料及其制备方法和应用。该分级多孔碳材料的制备方法为：首先将明胶、柠檬酸和三氯化铁混合加水溶解，油浴、干燥至凝胶状态；对凝胶状态的混合物进行碳化，并用盐酸洗涤、离心并干燥，得到分级多孔碳材料。本发明专利技术还提供一种活化的分级多孔碳材料，将上述制得的分级多孔碳材料与氢氧化钾混合溶解，活化处理后用盐酸洗涤离心并干燥后获得。本发明专利技术提供的分级多孔碳材料及其活化的分级多孔碳材料具备丰富的柳叶形介孔结构；其制备工艺简单、合成条件温和、制备成本低；其作为超级电容器的电极材料，具有高的比容量和能量密度，以及优异的循环稳定性，在超级电容器等储能装置中具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳材料
，涉及一种分级多孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，能源问题成为大家关注的焦点，能源的存储也得到越来越广泛的关注。超级电容器作为一种储能装置，由于其较高的功率密度，良好的长循环稳定性以及快速的充放电过程等优点引起了广泛关注，其中，碳基超级电容器由于其多孔性、高比表面积、良好的导电性以及化学稳定性等特点也得到了很多研究者的青睐。然而，传统碳材料的容量低等问题仍然存在。为解决上述问题，孔结构的设计十分重要。目前，大部分对碳材料的优化研究都集中于增加其比表面积，形成分级多孔结构，这种结构有利于加速电解质离子转移，缩短离子的传输路径。然而，对于孔的形状对电极材料性能影响的相关报道比较少见，尤其是通过比较简单的方法制备出形貌可控的碳材料仍然具有一定的难度。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种分级多孔碳材料及其制备方法，其制备方法简单，且能够制备得到具有丰富的柳叶形结构的分级多孔碳材料；本专利技术的目的还在于提供上述分级多孔碳材料作为电极材料在超级电容器上的应用；本专利技术的目的还在于提供一种活化的分级多孔碳材料及其制备方法；本专利技术的目的还在于提供上述活化的分级多孔碳材料作为电极材料在超级电容器上的应用。本专利技术的目的通过以下技术方案得以实现：本专利技术提供一种分级多孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：步骤一，将明胶、柠檬酸、三氯化铁和水混合溶解形成溶液，于80-100℃条件下油浴3-5h，然后干燥至凝胶状态，得到混合物凝胶；其中，所述明胶、柠檬酸和三氯化铁的质量比为(2-3)：1：4；步骤二，将步骤一所得的混合物凝胶进行碳化，得到含铁及铁的化合物的碳材料；用盐酸溶液对碳材料进行洗涤，离心干燥后即得到分级多孔碳材料；优选地，所述盐酸溶液的浓度为1mol/L。上述分级多孔碳材料的制备方法中，优选地，在步骤二中，碳化的方法为：在氩气和/或氢气的气体氛围中，以2-4℃/min的速度升温至290-310℃，煅烧0.5-1.5h；然后继续再以4-6℃/min的速度升温至790-810℃，煅烧1.5-2.5h；更加优选地，所述碳化选择在氩气和氢气的混合气体氛围中进行，其中，氩气占混合气体的95％，氢气占混合气体的5％。上述分级多孔碳材料的制备方法中，在步骤一中，所述水的添加量只要保证溶解明胶、柠檬酸、三氯化铁即可。本专利技术还提供上述分级多孔碳材料的制备方法制备得到的分级多孔碳材料，该分级多孔碳材料具有丰富的微介孔结构，其中，所述微介孔包括柳叶形介孔和微孔，所述柳叶形介孔的总体积占所述微介孔的总体积的70％-80％，所述微孔的总体积占所述微介孔的总体积的20％-30％；优选地，所述柳叶形介孔狭缝的长度为130-160nm，狭缝的宽度最长处为12-50nm；所述微孔直径为1.42-1.94nm；更加优选地，该分级多孔碳材料比表面积为1100-1250m2·g-1，孔体积为1.2-1.3cm3·g-1。在本专利技术一较佳实施例中，该分级多孔碳材料还存在少量直径为245-500nm的碗状大孔结构。本专利技术还提供一种活化的分级多孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：将上述制备的分级多孔碳材料与氢氧化钾混合，然后加水溶解，再进行干燥处理，接着进行活化处理，最后用1mol/L的盐酸溶液进行洗涤、离心干燥后得到活化的分级多孔碳材料；其中，所述分级多孔碳材料与氢氧化钾的质量比为1:3，所述水的添加量只要保证溶解分级多孔碳材料和氢氧化钾即可。上述活化的分级多孔碳材料的制备方法中，优选地，活化处理的方法为：在氮气的气体氛围中，以4.5-5.5℃/min的速度升温至550-750℃，煅烧1.5-2.5h；更加优选地，活化处理的方法为：在氮气的气体氛围中，以5℃/min的速度升温至650℃，煅烧2h。本专利技术还提供上述活化的分级多孔碳材料的制备方法制备得到的活化的分级多孔碳材料，该活化的分级多孔碳材料具有丰富的微介孔结构，其中，所述微介孔包括柳叶形介孔和微孔，所述柳叶形介孔的总体积占所述微介孔的总体积的52％-83％，所述微孔的总体积占所述微介孔的总体积的17％-48％；优选地，所述柳叶形介孔狭缝的长度为130-160nm，狭缝的宽度最长处为12-50nm；所述微孔直径为1.42-1.94nm；更加优选地，该活化的分级多孔碳材料比表面积为786.5-1357m2·g-1，孔体积为0.3596-1.490cm3·g-1。在本专利技术一较佳实施例中，该活化的分级多孔碳材料还存在少量直径为245-500nm的碗状大孔结构。本专利技术还提供上述分级多孔碳材料作为电极材料在超级电容器上的应用；优选地，所述分级多孔碳材料作为超级电容器的电极材料，在1A·g-1的电流密度下，该分级多孔碳材料的比容量为154.07-191.86F·g-1；在20A·g-1的电流密度下，该分级多孔碳材料的比容量为137.71-150.53F·g-1；更加优选地，在功率密度为1.2-102.37kW·kg-1时，能量密度为17.06-31.21Wh·kg-1。上述分级多孔碳材料作为电极材料在超级电容器上的应用中，优选地，所述分级多孔碳材料作为超级电容器的电极材料，在5A·g-1的电流密度下，经过10000次循环后比容量几乎没有损失。本专利技术还提供上述活化的分级多孔碳材料作为电极材料在超级电容器上的应用；优选地，所述活化的分级多孔碳材料作为超级电容器的电极材料，在1A·g-1的电流密度下，该活化的分级多孔碳材料的比容量为251.8-312.34F·g-1；在20A·g-1的电流密度下，该分级多孔碳材料的比容量为171.59-239.24F·g-1；更加优选地，在功率密度为1.19-98.55kW·kg-1时，能量密度为13.69-50.43Wh·kg-1。上述活化的分级多孔碳材料作为超级电容器的电极材料在超级电容器上的应用中，优选地，所述活化的分级多孔碳材料作为超级电容器的电极材料，在5A·g-1的电流密度下，经过10000次循环后比容量几乎没有损失。本专利技术提供的分级多孔碳材料主要利用明胶和柠檬酸中丰富的N、O这两种元素，在碳化过程中实现N、O原子的自掺杂，同时，明胶、柠檬酸与Fe3+的络合物经过1mol/L的盐酸洗涤除去之后会形成柳叶形的介孔，这种结构在之前的电极材料的报道中很少出现。本专利技术提供的分级多孔碳材料中，所采用的明胶为常规明胶，化学纯，Aladdin生产，CAS：9000-70-8。本专利技术提供的分级多孔碳材料及活化的分级多孔碳材料作为电极材料，能够显示出优异的倍率性能，具有较高的比容量和良好的循环稳定性，在超级电容器等储能装置中具有广泛的应用前景。本专利技术提供的分级多孔碳材料及其活化的分级多孔碳材料具备丰富的柳叶形介孔结构，制备工艺简单、合成条件温和、制备成本低；其作为超级电容器的电极材料，具有高的比容量和能量密度，以及优异的循环稳定性，在超级电容器等储能装置中具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例2制备的分级多孔碳材料的SEM图；图2为本专利技术实施例2制备的分级多孔碳材料的TEM图；图3为本专利技术实施例2制备的分级多孔碳材料的孔径分布图；图4为本专利技术实施例2制备的分级多孔碳材料在三电极体系中的电流密度与比容量关系图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分级多孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：步骤一，将明胶、柠檬酸、三氯化铁和水混合溶解形成溶液，于80‑100℃条件下油浴3‑5h，然后干燥至凝胶状态，得到混合物凝胶；其中，所述明胶、柠檬酸和三氯化铁的质量比为(2‑3)：1：4；步骤二，将步骤一所得的混合物凝胶进行碳化，得到含铁及铁的化合物的碳材料；用盐酸溶液对碳材料进行洗涤，离心干燥后即得到分级多孔碳材料；优选地，所述盐酸溶液的浓度为1mol/L。

【技术特征摘要】
1.一种分级多孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：步骤一，将明胶、柠檬酸、三氯化铁和水混合溶解形成溶液，于80-100℃条件下油浴3-5h，然后干燥至凝胶状态，得到混合物凝胶；其中，所述明胶、柠檬酸和三氯化铁的质量比为(2-3)：1：4；步骤二，将步骤一所得的混合物凝胶进行碳化，得到含铁及铁的化合物的碳材料；用盐酸溶液对碳材料进行洗涤，离心干燥后即得到分级多孔碳材料；优选地，所述盐酸溶液的浓度为1mol/L。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤二中，碳化的方法为：在氩气和/或氢气的气体氛围中，以2-4℃/min的速度升温至290-310℃，煅烧0.5-1.5h；然后继续再以4-6℃/min的速度升温至790-810℃，煅烧1.5-2.5h；优选地，所述碳化选择在氩气和氢气的混合气体氛围中进行，其中，氩气占混合气体的95％，氢气占混合气体的5％。3.权利要求1或2所述的制备方法制备得到的分级多孔碳材料，该分级多孔碳材料具有丰富的微介孔；其中，所述微介孔包括柳叶形介孔和微孔，所述柳叶形介孔的总体积占所述微介孔的总体积的70％-80％，所述微孔的总体积占所述微介孔的总体积的20％-30％；优选地，所述柳叶形介孔狭缝的长度为130-160nm，狭缝的宽度最长处为12-50nm；所述微孔直径为1.42-1.94nm；优选地，该分级多孔碳材料比表面积为1100-1250m2·g-1，孔体积为1.2-1.3cm3·g-1。4.一种活化的分级多孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：将权利要求3所述的分级多孔碳材料与氢氧化钾混合，然后加水溶解，再进行干燥处理，接着进行活化处理，最后用盐酸溶液进行洗涤、离心干燥后得到活化的分级多孔碳材料；其中，所述分级多孔碳材料与氢氧化钾的质量比为1:3；优选地，所述盐酸溶液浓度为1mol/L。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，活化处理的方法为：在氮气的气体氛围中，以4.5-5.5℃/min的速度升温至550-750℃，煅烧1.5-2.5h；优选地，活化处理的方法为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海珠，师艳红，张琳琳，张景萍，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22