一种多孔碳及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔碳及其制备方法与应用。该多孔碳的制备方法，包括以下步骤：１）在非氧化条件下，煅烧海藻酸、海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸锂、海藻酸镁和海藻酸钙中的至少一种，得到多孔碳的前驱物；２）将上述步骤１）得到的多孔碳前驱物用水或酸溶液处理，得到湿的多孔碳；３）将上述步骤２）得到的湿的多孔碳进行干燥，得到多孔碳。本发明专利技术的多孔碳作为电化学电容器的电极材料使用时，由于多孔碳中具有丰富的多级孔结构和氧官能团，能够充分利用结构中的表面积，并提供了额外的赝电容，从而使该多孔碳具有更高的容量、能量密度、功率密度和电化学稳定性。制备方法绿色、环保，非常适宜于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料与电化学电容器领域，特别是涉及一种多孔碳及其制备方法与应用。
技术介绍
随着石油能源短缺问题的日益突出和人们环保意识的逐渐增强，以电动汽车或低 污染性混合动力汽车作为交通工具越来越引起了人们的广泛重视。然而电动汽车在起步、 加速和刹车过程中，需要对能量进行高功率输出和存储。目前，市场上主要的储能电池(包 括锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池等)并不能满足如此之高功率的要求，而电化学电容 器作为能够在高功率下进行充放电的器件，却可以满足此类要求。可以作为电化学电容器电极的材料主要有以下三种(1)具有高比表面积的多孔 性活性碳材料；(2)过渡金属氧化物(如=RuO2) ； (3)导电聚合物。在这些材料中，RuO2虽 然具有很高的电容，但由于其价格昂贵而很难得到实际的应用；导电聚合物由于其循环性 能差和高功率下容量低等缺点也不能广泛应用；多孔性活性碳材料由于具有较大的比表面 积、良好的化学惰性和无污染等优点被认为是制备电化学电容器电极的首选材料。传统的 多孔性活性碳材料虽然具有较高的比表面积、良好的化学惰性、无污染和高的理论容量等 优点，但该多孔性活性碳材料是由尺寸很小的微孔组成，孔结构不合适，通常有一半左右的 表面没有电化学活性。因此，通过材料结构设计，制备出同时具有高比表面积、丰富孔结构 和较高电容的碳电极材料，对电化学超级电容器等储能器件的发展，以及纯电动汽车和混 合电动汽车等交通工具的开发都具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多孔碳及其制备方法与应用。本专利技术所提供的多孔碳的制备方法，包括以下步骤1)在非氧化条件下，煅烧海藻酸、海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸锂、海藻酸镁和海藻 酸钙中的至少一种，得到多孔碳的前驱物；2)将上述步骤1)的多孔碳的前驱物用水或酸溶液处理，得到湿的多孔碳；3)将上述步骤2)的湿的多孔碳进行干燥，得到多孔碳。上述方法中，所述步骤1)中，所述非氧化条件是通过向反应体系中通入二氧化 碳、氮气、氩气、氢气和氦气中的至少一种气体得到的；所述煅烧的条件为煅烧温度为300-1500°C，煅烧时间为0. l_100h，升降温速率 为 0. I-IOO0C /min ；具体的，所述煅烧条件为煅烧温度为700-1000°C，煅烧时间为3_6h，升降温速率 为 5-20°C /min。上述方法中，所述步骤2)中，所述酸溶液为硝酸、硫酸、盐酸和氢氟酸的水溶液中 的至少一种；3所述水或酸溶液处理的条件为5-200°C，处理0. I-IOOh ；具体的，所述水或酸溶液处理的条件为40-80°C，处理6_8h。上述方法中，所述步骤3)中，所述干燥的条件为0-300°C，干燥0. 5-100h ；具体的，所述干燥的条件为80-120°C，干燥5_6h ；所述干燥的气氛为真空或空气或向反应体系中通入下述气体中的至少一种得到 的；所述气体为二氧化碳、氮气、氩气、氢气和氦气。采用上述任一方法制备的多孔碳也属于本专利技术的保护范围。本专利技术制备的多孔碳具有不同尺寸的孔道结构，这些孔道结构的大小为 0.5nm-100μ m。 本专利技术的多孔碳可以用于制备水溶液体系或有机体系电化学电容器。实验结果表明，本专利技术的多孔碳作为电化学电容器的电极材料使用时，由于多孔 碳中具有丰富的多级孔结构和氧官能团，能够充分利用结构中的表面积，并提供了额外的 赝电容，从而使该多孔碳具有更高的容量、能量密度、功率密度和电化学稳定性。另外，由 于制备过程中使用的原料是自然界中广泛存在的生物材料，廉价且易得，制备方法绿色、环 保，非常适宜于大规模生产。附图说明图1为实施例1制备的多孔碳的X射线光电子能谱图谱。图2为实施例2制备的多孔碳的扫描电子显微镜照片。图3为实施例3制备的多孔碳的氮气吸附_脱附曲线和孔结构分布曲线。图4为实施例4制备的多孔碳的透射电子显微镜照片。图5为实施例5制备的多孔碳的扫描电子显微镜照片。图6为实施例2制备的多孔碳在6mol/L的KOH电解液中进行三电极体系循环伏 安测试的结果。图7为实施例3制备的多孔碳在两电极电化学超级电容器中的能量密度和功率密 度的循环性能曲线。图8为实施例2制备的多孔碳在lA/g电流密度下的充放电曲线。 具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1、制备多孔碳称取IOg海藻酸(购自国药集团化学试剂有限公司)，将其置于管式炉中，在N2气 氛下，800°C煅烧5小时，升降温速率为10°C /min，得到多孔碳的前驱物。然后将得到的多 孔碳的前驱物用Imol ·厂1的氢氟酸在50°C条件处理6小时，得到湿的多孔碳。最后，将该 湿的多孔碳在真空条件下80°C干燥5小时，得到多孔碳。实施例2、制备多孔碳称取8g海藻酸锂(将等摩尔的海藻酸(购自国药集团化学试剂有限公司)与氢 氧化锂(购自北京化学试剂公司)反应制得)和6g海藻酸钠(购自国药集团化学试剂有4限公司)，混合均勻后置于管式炉中，在Ar气氛下，600°C煅烧6小时，升降温速率为20°C / min，得到多孔碳的前驱物。然后将得到的多孔碳的前驱物用水在25°C下处理6小时，得到 湿的多孔碳。最后，将该湿的多孔碳在空气中于100°C条件下干燥5小时，得到多孔碳。实施例3、制备多孔碳称取4g海藻酸(购自国药集团化学试剂有限公司)、3g海藻酸镁(将等摩尔海藻 酸钠(购自国药集团化学试剂有限公司)与氯化镁反应制得)和3g海藻酸钙(将等摩尔 海藻酸钠(购自国药集团化学试剂有限公司)与氯化钙反应制得)，混合均勻后置于管式炉 中，在N2 Ar的体积比为1 1的气氛下，900°C煅烧4小时，升降温速率为5°C/min，得 到多孔碳的前驱物。然后将得到的多孔碳的前驱物用5mol · Γ1的硝酸在80°C条件下处理 3小时，得到湿的多孔碳。最后，将该湿的多孔碳在N2中于80°C条件下干燥6小时，得到多 孑L碳。实施例4、制备多孔碳称取6g海藻钠(购自国药集团化学试剂有限公司)，将其置于管式炉中，在CO2气 氛中，300°C煅烧100小时，升降温速率为0. I0C /min，得到多孔碳的前驱物。然后将得到的 多孔碳的前驱物用5mol · L—1的盐酸在5°C条件下处理100小时，得到湿的多孔碳。最后， 将该湿的多孔碳在He气氛中于300°C条件下干燥0. 5小时，得到多孔碳。实施例5、制备多孔碳称取4g海藻钙(将等摩尔海藻酸钠(购自国药集团化学试剂有限公司)与氯化钙 反应制得)，将其置于管式炉中，在He气氛中，1500°C煅烧0. 5小时，升降温速率为100°C / min，得到多孔碳的前驱物。然后将得到的多孔碳的前驱物用水在200°C条件下处理0. 1小 时，得到湿的多孔碳。最后，将该湿的多孔碳在CO2气氛中于0°C条件下干燥100小时，得到 多孔碳。实施例6、多孔碳的表征分别用X 射线光电子能谱仪(VG Scientific ESCALab220i_XL，MgK α X 射线)、 扫描电子显微镜(JE0L-6700F)、透射电子显微镜(JE0L-1011)和氮气吸附-脱附分析仪 (Micromeritics ASAP 2020)对上述实施例1_5中制备的多孔碳进行了表征。结果如图1_5 所本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔碳的制备方法，包括以下步骤：１）在非氧化条件下，煅烧海藻酸、海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸锂、海藻酸镁和海藻酸钙中的至少一种，得到多孔碳的前驱物；２）将上述步骤１）的多孔碳的前驱物用水或酸溶液处理，得到湿的多孔碳；３）将上述步骤２）的湿的多孔碳进行干燥，得到多孔碳。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉国，吴兴隆，万立骏，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]