整体式和分形碳泡沫及其制备方法和应用技术

一个整体式碳泡沫由熔融洋葱状碳纳米颗粒组成，其中，该整体式碳泡沫含有互连的孔，具有200m2/cc

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】整体式和分形碳泡沫及其制备方法和应用
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请特此要求基于2019年5月23日提交的美国临时申请第62/851,793号的优先权。此外，美国临时专利申请的全部内容和公开内容通过引用整体并入本文。

技术介绍


[0003]本专利技术总体上涉及高度多孔的碳泡沫及其制备。
[0004]专利技术背景
[0005]能量存储，例如超级电容器，对于提高能源效率很重要。先前的研究表明，纳米碳泡沫是构建超级电容器电极的合适材料。然而，现有的制备纳米碳泡沫的方法不适合工业生产。
[0006]例如，基于化学溶液的方法需要大量的预处理和后处理步骤。因此，这些方法不仅费时费钱，而且还会产生化学废物。此外，由于使用化学试剂和表面活性剂，这些方法产生含有杂质的纳米碳泡沫。
[0007]又如，美国专利申请公开号US 2017/0297923 A1报道了一种由类洋葱中空碳纳米颗粒热压制备纳米碳泡沫的方法。这种热压方法不需要化学试剂和表面活性剂。然而，由此产生的纳米碳泡沫具有低机械稳定性和不一致的泡沫密度。
[0008]因此，需要适用于工业规模生产具有改进的结构和机械性能的纳米碳泡沫的新方法。

技术实现思路

[0009]一方面，本专利技术涉及一种含有一种熔融洋葱状碳的纳米颗粒(“OLC”)的整体式碳泡沫，具有互连的孔，具有200m2/cc
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600m2/cc的体积微孔表面积(优选地，200m2/cc
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500m2/cc)，具有20s/cm
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140s/cm(优选地，40s/cm
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75s/cm)的电导率。在一个实施例中，该泡沫具有1Gpa
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4 GPa(优选1Gpa
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3 GPa)的杨氏模量。在另一个实施例中，该泡沫还包含非OLC基材料(优选包括活性炭)、半导体材料、氧化物材料或金属的材料；该材料的具体实例包括硅、氧化钼和二硫化钼。该材料可以是纤维、管、空心球、线、片或粉末形式。本专利技术还包括将上述整体式碳泡沫粉碎制成的泡沫粉末。
[0010]上述整体式碳颗粒可以通过以下步骤制备(i)压实OLC纳米颗粒，(ii)将压实的OLC纳米颗粒置于真空或充满惰性气体(如N2和Ar)的空间中，(iii)在30MPa
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1000MPa(优选40MPa
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300MPa)和300℃
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800℃(优选400℃
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600℃)温度下，放电等离子体烧结OLC纳米颗粒)持续2s至30min。在一个实施例中，OLC纳米颗粒用纤维、管、空心球、线、片或粉末形式的材料压实，该材料为非OLC基材料、氧化物材料、金属和半导体材料。除该方法外，由此制备的整体式碳泡沫也在本专利技术的范围内。
[0011]另一方面，本专利技术涉及一种分形碳泡沫。分形碳化泡沫是通过如下步骤制备的(i)
将上述整体式碳泡沫粉碎成整体式碳泡沫粉末，(ii)压实整体式碳泡沫粉末，(iii)将压实的整体式碳泡沫粉末放置在真空中，(iv)在30MPa
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1000 MPa(优选地，40MPa
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200 MPa)和300℃
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800℃(优选地，600℃
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800℃)的温度下，放电等离子体烧结2s
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30min(优选地，2s
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10min)形成分碳化沫。该方法也在本专利技术的范围内。
[0012]本文还公开了用于包含由上述整体式或分形碳泡沫制成的活性材料的超级电容器的电极和包括这种电极的超级电容器。更具体地，本专利技术的超级电容器包括(i)均由上述整体式或分形碳泡沫形成的负电极和正电极，(ii)设置在负电极和正电极之间以防止直接接触而短路，以及(iii)离子连接电极的电解质，其中每个电极的内表面与电解质接触，每个电极的外表面被集流器覆盖。
[0013]在下面的附图、定义和详细描述中阐述了本专利技术的细节。本专利技术的其他特征、目的和优点将从以下实际实施例和权利要求中显而易见。
附图说明
[0014]以下描述参照附图，其中：
[0015]图1(a)是OLC颗粒的放电等离子体烧结(“SPS”)的示意图。
[0016]图1(b)是显示SPS将OLC颗粒转变为具有增强的密度和表面以及强且导电的颗粒间键合的整体式碳泡沫的示意图。
[0017]图1(c)是显示在80MPa压力和不同温度，即300
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700℃下制备的整体式碳泡沫的重量和体积表面积的图。
[0018]图2(a)是显示通过SPS工艺制备的整体式碳泡沫和通过常规热压工艺制备的碳泡沫的杨氏模量的图。
[0019]图2(b)是显示经SPS处理的整体式碳泡沫和常规热压的整体式碳泡沫的电导率和材料密度的图。
[0020]图3是示例性软包电池型超级电容器的示意图，其包含整体式碳泡沫或分形碳泡沫。
[0021]图4(a)是根据本专利技术实施例的整体式碳泡沫的示意图。由OLC纳米颗粒形成的整体碳式泡沫具有以一系列介孔和微孔为特征的孔隙结构。
[0022]图4(b)是根据本专利技术实施例的分形碳泡沫的示意图。这种分碳形泡沫由整体式碳粉末组成，具有层次孔结构，其特征是整体式碳粉粉末中的大孔与一系列介孔和微孔相连。
[0023]图5是显示包含不同电极材料，即整体式石墨烯泡沫(“MGF”)、分形石墨烯泡沫(“FGF”)、活性炭、无边缘石墨烯和还原氧化石墨的超级电容器的器件性能比较的Ragone图(“rGO”)；插图是MGF电极和FGF电极的奈奎斯特图的叠加，显示了这些电极内离子的扩散速度，其中，更陡峭的斜率对应于更高的扩散速率。
[0024]图6是二硫化钼/碳混合整体式碳泡沫的拉曼光谱。
具体实施方式
[0025]下文详细描述了整体式碳泡沫、分形碳泡沫、它们的制备方法以及如上文
技术实现思路
部分所述的由它们构成的超级电容器。
[0026]在本专利技术中，“洋葱状碳纳米颗粒”或“OLC纳米颗粒”是指由同心石墨壳包裹的类
富勒烯碳层构成的类球形纳米颗粒。它们表现出独特的零维球形或同心壳结构，具有小(例如，<50nm)直径。它们通常也被称为纳米洋葱。这些纳米颗粒由于其高度对称的结构，具有不同于石墨、纳米金刚石、纳米管等其他碳纳米结构的性质。
[0027]此外，术语“放电等离子体烧结”或“SPS”是指压力辅助脉冲电流或直流工艺，其中粉末样品加载到导电模具中并在单轴压力下烧结。放电等离子体状态是一种使用压力驱动粉末固结的技术，其中，脉冲直流电流通过压缩在石墨基质中的样品。它也称为场辅助烧结或脉冲电流烧结。术语“热压”是指通过施加压力将来自外部热源的热能提供给样品的过程。
[0028]最后，“整体式碳泡沫”是指由SPS类洋葱碳纳米颗粒制备的材料，“整体式碳泡沫粉末”是指将整体式碳泡沫以任何已知方法粉碎而成的粉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种包括熔融洋葱状碳(OLC)纳米粒子的整体式碳泡沫，其中，所述整体式碳泡沫包含互连的孔，具有200m2/cc
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600m2/cc的体积微孔表面积，具有20s/cm
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140s/cm的电导率。2.如权利要求1所述的整体式碳泡沫，其中，所述整体式碳泡沫的杨氏模量为1GPa
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4GPa。3.根据权利要求1所述的整体式碳泡沫，其中，所述整体式碳泡沫具有200m2/cc
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500m2/cc的体积微孔表面积，具有40s/cm
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75s/cm的电导率，具有1Gpa
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3GPa的杨氏模量。4.如权利要求1所述的整体式碳泡沫，还包括选自由非OLC基材料、氧化物材料、金属和半导体材料组成的组的材料。5.如权利要求4所述的整体式碳泡沫，其中，所述材料为纤维状、管状、空心球状、丝状、片状或粉末形式。6.如权利要求4所述的整体式碳泡沫，其中，所述材料为含活性炭的非OLC基材料。7.如权利要求4所述的整体式碳泡沫，其中，所述材料为氧化钼。8.如权利要求4所述的整体式碳泡沫，其中，所述材料为硅。9.如权利要求6所述的整体式碳泡沫，其中，所述材料为片状的二硫化钼。10.一种整体式碳泡沫，其制备方法包括：压实OLC纳米颗粒，将压实的OLC纳米颗粒置于真空或充满惰性气体的空间中，以及在30MPa
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1000MPa的压力和300℃
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800℃的温度下，放电等离子体烧结所述OLC纳米颗粒2s
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30min，得到所述整体式碳泡沫。11.如权利要求10所述的整体式碳泡沫，其中，所述放电等离子烧结步骤是在40MPa
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300MPa的压力和400℃
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600℃的温度下进行2s
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10min。12.一种分形碳泡沫，其制备方法包括：将如权利要求1所述的整体式碳泡沫粉碎成整体式碳泡沫粉末，压实整体式碳泡沫粉末，将压实的整体式碳泡沫粉末置于真空或充满惰性气体的空间中，以及在30MPa
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1000MPa的压力和300℃
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800℃的温度下，放电等离子体烧结所述整体式碳泡沫粉末2s
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30min，形成所述分形碳泡沫。13.如权利要求12所述的分形碳泡沫，其中，所述放电等离子体烧结步骤在40MPa
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200MPa的压力和600℃
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800℃的温度下进行2s
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10min。14.如权利要求13所述的分形碳泡沫，其中，所述整体式碳泡沫进一步包括选自由非OLC基材料、氧化物材料、金属和...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴巴罗斯，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：