一种基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料及其制备方法和用途。所述多孔碳材料是由芳香族单体化合物制备的多孔聚合物或芳香族单体化合物制备的多孔聚合物与低维碳纳米复合材料在惰性气氛中通过逐步升温程序而形成。本发明专利技术同时提供了基于该类多孔碳材料的储能电极材料应用，包括锂离子电池，锂硫电池，钠离子电池，空气电池和超级电容器等，并且表现出良好的循环性能和倍率性能。这类多孔碳材料原料价格低廉，种类丰富，制备方法简单，产量大，收率高，因此在实际应用中具有很大的潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电极电池材料领域，涉及一种多孔碳材料及其制备方法和用途，尤其涉及一种基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料及其制备方法和用途。
技术介绍
随着全球能源的不断消耗和环境的不断恶化，开发具有高容量和高能量的电化学储能系统已经成为21世纪人类面临的一个十分迫切而又严峻的问题。锂离子电池作为新的高能化学电源具有高能量密度、高电压和长循环寿命等特点，但其负极材料多采用的是传统的石墨负极材料。传统的石墨负极材料的理论比容量仅有372mAh/g，且倍率性能差，这极大程度的限制了其发展。锂硫电池不同于通常的锂离子电池，它用硫做阴极，金属锂做阳极，按照非局部规整反应“同化”模式工作。因其具有高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)而成为了下一代能源存储系统中的一种十分具有潜力的产品。但其在工作过程中会出现如下问题：单质硫与放电产物硫化锂导电性很差；中间产物多硫离子易溶解于电解液而导致“穿梭效应”；充放电过程中的体积膨胀导致正极材料的结构破坏。为了解决锂硫电池在应用过程中出现的上述问题，人们进行了大量的研究工作。专利CN104685672A公开了一种由多孔碳和含硫活性材料构成的复合材料及其制造方法，其是将由碳-粉末、含硫活性材料和水性介质构成的分散体在足以使硫熔化的温度下水热处理来制备所述的多孔碳和含硫活性材料构成的复合材料。虽然多孔碳/硫复合材料在增加绝缘硫与导电碳的电接触以及减少充放电过程中的体积膨胀等问题上表现出很大的优势，并且多孔碳的原料来源广泛，结构可设计性强；但是其中的多孔碳在准备过程中需要采用模板法(包括硬模板法和软模板法)来构建骨架，使后续处理过程变的复杂。超级电容器具有高的能量和功率密度，以及循环寿命长等特点，在某些能源存储领域可以替代电池。但其要求电极材料须具有较高的比表面积和良好的导电性。因此，开发出一种能应用于上述几种电池中的电极材料具有极其重大的意义。多孔碳材料是一种具有很好应用前景的电极材料，其由于具有丰富的孔道结构可以大大减小离子传输距离，提高倍率性能。专利CN103130209A公开了一种多孔碳电极材料的制备方法，其预处理沸石为模板，以麦芽糖为前驱物，通过液相浸渍，在惰性气体氛围中经过聚合、碳化和模板物去除得到用于电化学电容器的多孔电极材料，制备的多孔碳电极材料比表面积高，孔径以2～4nm的介孔为主。该制备方法仍需要采用模板法来构建骨架，过程复杂，并且采用该材料制备得到的电池其稳定性较差。因此开发出自具孔结构并能够大量生产，且同时具有高的循环稳定性和倍率性的多孔碳材料能成为需要解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中电池负极材料的倍率性能和循环稳定性差的问题，以及多孔碳在准备过程中需要采用模板使后续处理过程复杂等问题，本专利技术提供了一种基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料及其制备方法和用途。所述基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料自具孔结构，并且具有的高比表面积和均匀孔道分布；同时，制备过程中添加的碳纳米材料可以搭建起丰富的导电网络，增强材料整体的机械韧性。本专利技术制备的多孔碳材料表现出良好的循环稳定性和倍率性能，制备工艺简单，并且产量大，收率高，有利于满足实际需求。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种多孔碳材料，所述多孔碳材料主要由以下原料制备得到：芳香族化合物单体；有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体；其中，芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体的摩尔比为1:(1～10)，例如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9或1:10等。所述多孔碳材料是指具有大量孔结构的碳材料，在本领域中属于专有名词，属于清楚表述。基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料其自身具有孔结构，孔道分布均匀，并且增大了多孔碳材料的比表面积，从而使其表现出良好的循环稳定性和倍率性能。本专利技术中，所述制备多孔碳材料的原料还包括碳纳米材料，碳纳米材料与芳香族单体化合物单体的质量比为1:(5～20)，例如1:5、1:7、1:10、1:13、1:15、1:17或1:20等，优选为1:(5～10)。优选地，所述芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体的摩尔比为1:(1～4)。上述碳纳米材料为低维碳纳米材料，其可作为构建桥梁搭建起丰富的导电网络，增强材料整体的机械韧性的同时还了增强电子和离子的传输。所述芳香族化合物单体为单环芳香族化合物、多环芳香族化合物或杂环芳香族化合物中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例有：单环芳香族化合物和多环芳香族化合物的组合，多环芳香族化合物和杂环芳香族化合物的组合，单环芳香族化合物、多环芳香族化合物和杂环芳香族化合物的组合等。其中，“多环芳香族化合物”是指含有多个苯环或碳环的芳香族有机化合物，即含有两个或两个以上苯环或碳环的芳香族有机化合物，在本领域中属于专有名词，属于清楚表述。“杂环芳香族化合物”是指含有杂环结构的芳香族有机化合物，即构成环的原子除碳原子外，还至少含有一个杂原子，在本领域中属于专有名词，属于清楚表述。优选地，所述芳香族化合物单体为苯、甲苯、乙苯、炔基苯、三炔基苯、联苯、萘，蒽、菲、芘、六苯并苯、六苯并蔻、吡咯、吡啶或噻吩中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例有：苯和甲苯的组合，苯、甲苯和乙苯的组合，甲苯、乙苯和炔基苯的组合，炔基苯、三炔基苯、联苯、萘和蒽的组合，蒽、菲、芘和六苯并苯的组合，六苯并蔻、吡咯、吡啶和噻吩的组合等，优选为苯、萘、吡咯、噻吩或呋喃中任意一种或至少两种的组合。优选地，所述有机二醚类单体为二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、2，2-二甲氧基丙烷、二甲氧基苯、二甲氧基苯酚或二甲氧基苯甲醛中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例有：二甲氧基甲烷和二甲氧基乙烷的组合，2，2-二甲氧基丙烷和二甲氧基苯的组合，二甲氧基苯、二甲氧基苯酚和二甲氧基苯甲醛的组合，二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、2，2-二甲氧基丙烷、二甲氧基苯、二甲氧基苯酚和二甲氧基苯甲醛的组合等。优选地，所述二取代卤代烃单体为二氯代苯、二溴代苯、二氯代联苯、二氯代萘或二氯代蒽中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例有：二氯代苯和二溴代苯的组合，二溴代苯和二氯代联苯的组合，二氯代萘和二氯代蒽的组合，二氯代苯、二溴代苯和二氯代联苯的组合，二氯代苯、二溴代苯、二氯代联苯、二氯代萘和二氯代蒽的组合等。本专利技术中，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米棒、石墨烯或碳纳米球中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例有：碳纳米管和碳纳米纤维的组合，碳纳米纤维和碳纳米棒的组合，碳纳米棒、石墨烯和碳纳米球的组合，碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米棒的组合，碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米棒、石墨烯和碳纳米球的组合等。所述多孔碳材料的制备原料的典型但非限制性实例有：多孔碳材料的制备原料包括由苯、二氯代苯、二氯代苯和碳纳米管等，多孔碳材料的制备原料包括苯和二氯代苯等，多孔碳材料的制备原料包括甲苯、二甲氧基乙烷和二溴代苯等，多孔碳材料的制备原料包括炔基苯、2，2-二甲氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料主要由以下原料制备得到：芳香族化合物单体；有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体；其中，芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体的摩尔比为1:(1～10)。

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料主要由以下原料制备得到：芳香族化合物单体；有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体；其中，芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体的摩尔比为1:(1～10)。2.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述制备多孔碳材料的原料还包括碳纳米材料，碳纳米材料与芳香族单体化合物单体的质量比为1:(5～20)，优选为1:(5～10)；优选地，所述芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体的摩尔比为1:(1～4)。3.根据权利要求1或2所述的多孔碳材料，其特征在于，所述芳香族化合物单体为单环芳香族化合物、多环芳香族化合物或杂环芳香族化合物中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述芳香族化合物单体为苯、甲苯、乙苯、炔基苯、三炔基苯、联苯、萘，蒽、菲、芘、六苯并苯、六苯并蔻、吡咯、吡啶或噻吩中任意一种或至少两种的组合，优选为苯、萘、吡咯、噻吩或呋喃中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述有机二醚类单体为二甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、2，2-二甲氧基丙烷、二甲氧基苯、二甲氧基苯酚或二甲氧基苯甲醛中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述二取代卤代烃单体为二氯代苯、二溴代苯、二氯代联苯、二
\t氯代萘或二氯代蒽中任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求2所述的多孔碳材料，其特征在于，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米棒、石墨烯或碳纳米球中任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1-4任一项所述的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料是通过将原料制成聚合物前驱体，再将前驱体进行热处理而制备得到的；优选地，所述多孔碳材料的孔径大小为0.1～100nm；优选地，所述多孔碳材料的比表面积为10～3000m2/g，优选为100～2000m2/g。6.根据权利要求1-5任一项所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将原料按配比通过热溶剂法制成聚合物前驱体，再在惰性气体的保护下对前驱体进行热处理制得多孔碳材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述原料为芳...

【专利技术属性】
技术研发人员：智林杰，肖志昌，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11