【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于多孔碳材料制备，更具体地说，涉及一种纳米孔定向排列的多孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、多孔碳材料因其独特的表面特性和结构，广泛应用气体分离、水体净化、多相催化载体材料、高性能热场材料等，同时在锂离子电池用高性能材料、钠离子电池用高性能材料等新能源材料领域也逐渐呈现出广阔的应用前景。目前，以多孔碳材料为载体通过化学气相沉积法沉积纳米级硅颗粒的硅碳材料技术路线的研究热度有增无减，但所用的多孔碳材料具有孔结构可控性差、均匀性差等重大缺陷，导致此类硅碳材料一致性差，市场化推广面临不少挑战和使用风险。
2、经检索，关于多孔碳材料的研究已有相关专利公开，如中国专利公开号为cn106587003a的专利文献中采用的方法是：先合成有序介孔氧化硅孔道，后在孔道中涂布含碳材料层，通过碳材料层的多次涂布，达到碳材料孔道自支撑所需的结构强度，最后通过中高温（850℃）脱氢、hf浸泡脱除氧化硅等得到最终的产品，该产品属于传统活性碳类别，为介孔碳材料（孔径2~50nm），主要用于吸附净化、电化学双电层电容器等领域，该产品虽具有相对可控的孔结构和尺寸，但制备过程十分繁琐，效率极低，同时若作为气相沉积法硅碳材料的载体时，其孔结构和尺寸、模板物-氧化硅残留、孔道结构强度不足等缺陷将极大地降低硅碳材料的循环性能、膨胀性能等各种关键性能。
3、又如，中国专利公开号为cn113929470a的专利文献中则提出采用天然木材高温处理形成多孔碳材料模板，通过将氮化硅陶瓷所需组分在该模板上进行碳热还原氮化反应和高温液相烧结得到
4、再如，中国专利公开号为cn114456603a的专利文献中采用磁场诱导排列碳纤维制备了一种导热材料，为非多孔材料 ，无法适用于气相沉积法制备硅碳材料的应用领域。
技术实现思路
1、1. 要解决的问题
2、本专利技术的目的在于克服现有多孔碳材料具有孔结构及其尺寸、占比不可调的不足，提供了一种纳米孔定向排列的多孔碳材料，主要作为气相沉积法制备硅碳材料的多孔碳载体。
3、此外，本专利技术还提供了上述多孔碳材料的制备方法和应用，制备出微孔和介孔均沿孔道长度方向定向排列的多孔碳材料，能够有效用于气相沉积法制备硅碳材料的应用领域。
4、2. 技术方案
5、为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
6、其一，本专利技术提供了一种纳米孔定向排列的多孔碳材料，其照片具体如图1所示。本专利技术的多孔碳材料，其孔隙结构为微孔和介孔组合型结构，孔道长度“全贯穿”多孔碳颗粒本体，且各微孔和介孔均沿孔道长度方向定向排列，此结构的多孔碳材料相较于常规孔隙随机分布的碳材料而言，本专利技术提供的这种特殊结构的碳材料，其用在于化学气相沉积进一步制备硅碳材料时，硅烷气体更容易进去孔内，并有利于硅烷气体在高温下分解并沉积在孔洞里面。同时，孔洞沿孔道长度方向定向排列，且孔道“全贯穿”多孔碳材料本体，使得硅烷气体在材料内部扩散的阻力会更小，效率更高，显著缩短了碳硅材料的制备时间。
7、作为本专利技术的进一步改进，所述多孔碳材料的粒度为5~15um，控制此粒度范围，多孔碳材料的综合性能较佳，当颗粒太小，即：其粒度＜5um时，多孔碳材料的压实性能低，硅碳材料体积能量密度低；同时，多孔碳材料的比表面积大，sei膜形成所需要消耗的li+过多，造成首次库伦效率低。而当颗粒太大，即：其粒度＞15um，会导致在制备硅碳材料时，硅烷气体在颗粒内部的扩散距离增加，沉积效率低。同时还会导致气相法沉积硅后的硅碳材料颗粒尺寸大，增加了li+在颗粒内部的扩散距离，增加了li+扩散阻力，极化增加，材料的倍率性能下降。
8、作为本专利技术的进一步改进，所述多孔碳材料的孔径分布范围为0.5~10nm，微孔孔容占比为60~90%，介孔孔容占比10%~40%，其中，孔径大小为2~50nm为介孔，孔径大小在2nm以下（不包括2nm）为微孔，通过对微孔和介孔的孔容占比进行调控，使得制备出的硅碳材料具有较高强度，在硅烷气体进行沉积时，更希望硅烷气体较多地沉积在微孔中，从而有效提高碳硅材料的抗应力能力。而介孔主要用于提供气体分子裂解通道，微孔则促进气体分子的吸附裂解，合理的微孔和介孔占比一方面能够使硅烷气体分子具有较高的扩散速率，提高沉积效率，另一方面使多孔碳颗粒内部具有较多的硅烷沉积活性位点。
9、其二，本专利技术提供了上述多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
10、步骤一、将沥青溶解于分散液中形成沥青溶液；
11、步骤二、将强磁性或抗磁性金属纳米线加入步骤一中的沥青溶液中，超声分散5~20分钟，得到分散液；
12、步骤三、将步骤二中所得分散液盛于非磁性容器，并置于磁场中，同时对该非磁性容器加热至420~460℃，保温4~6小时，分散液由液体转化为固体；
13、步骤四、将步骤三中所得固体置于箱式炭化炉中加热至850~950℃，保温3~5小时，固体完成一次炭化定型；
14、步骤五、将步骤四中所得一次炭化物进行粉碎，使炭化物颗粒粒度d50为6~16um；
15、步骤六、将步骤五中所得炭化物颗粒加入酸液中，超声分散8~12分钟，然后微波加热2~4小时取出固体，并水洗至ph3.0~5.0；
16、步骤七、将经步骤六水洗后的固体置于箱式炭化炉中加热至1300~1500℃，保温5~10小时，完成二次炭化，冷却至常温取出后即得到纳米孔定向排列的多孔碳材料。
17、本专利技术通过对上述制备工艺进行优化设计，制备出满足本专利技术条件的多孔碳材料，能够实现对其孔洞位置、尺寸的有效控制，同时，生产得到孔洞沿孔道长度方向定向排列的多孔碳材料。
18、作为本专利技术的进一步改进，步骤二中，金属纳米线的直径为5~50nm，通过对金属纳米线的直径进行控制，便于对孔洞孔径大小进行调控，从而实现了多孔碳材料孔径尺寸的可控生产，具体的，实际生产时，添加的金属纳米线直径及其添加数量满足以下要求：
19、金属纳米线的直径在5nm~20nm之间，且包含5nm，不包含20nm，添加数量占比为60%~90%；
20、金属纳米线的直径在20nm~50nm之间，且包含20nm和50nm，添加数量占比为10%~40%。
21、需要说明的是，本专利技术通过调控金属纳米线的直径和添加数量，用以实现对微孔和介孔的孔洞大小及其占比进行设计，可以有效实现对多孔碳材料结构的调控，以制备出满足孔结构及尺寸可控，且均匀性较佳的多孔碳材料。在制备时，本专利技术通过添加两种直径大小的金属纳米线，匹配本专利技术的炭化温度设定，使得孔洞在炭化过程中发生一定程度的收缩，从而可以有效保证制备得到满足本专利技术孔结构要求的多孔碳材料。
22、同时，本专利技术中将金属纳米线的长度控制在40~100um，此长度设计大于粉碎后的多孔碳颗粒直径，这本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，金属纳米线的直径为5~50nm，金属纳米线的长度为40~100um，金属纳米线与沥青溶液的重量比为1:（1~5），添加的金属纳米线直径及其添加数量满足以下条件：
3.根据权利要求2所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，金属纳米线选用铁纳米线或镍纳米线。
4.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，施加的磁场强度为0.01~10特斯拉，磁场施加方向为垂直或平行于非磁性容器内的溶液表面。
5.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述的沥青为石油系沥青，其结焦温度≤450℃，沥青与分散液的质量比为2:（1~2）。
6.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤六中，炭化物颗粒与酸液的体积比为1:（1~3），所述
7.一种纳米孔定向排列的多孔碳纳米材料，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的方法制备得到的多孔碳纳米材料，其孔隙结构为微孔和介孔组合型结构，孔道长度“全贯穿”多孔碳颗粒本体，且各微孔和介孔均沿孔道长度方向定向排列。
8.根据权利要求7所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料，其特征在于，多孔碳材料的粒度为5~15um。
9.根据权利要求7所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料，其特征在于，其孔径分布范围为0.5~10nm，微孔孔容占比为60~90%，介孔孔容占比为10%~40%。
10.一种纳米孔定向排列的多孔碳纳米材料的应用，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一项所述方法制成的多孔碳纳米材料，将其用于气相沉积法制备硅碳材料。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，金属纳米线的直径为5~50nm，金属纳米线的长度为40~100um，金属纳米线与沥青溶液的重量比为1:（1~5），添加的金属纳米线直径及其添加数量满足以下条件：
3.根据权利要求2所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，金属纳米线选用铁纳米线或镍纳米线。
4.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，施加的磁场强度为0.01~10特斯拉，磁场施加方向为垂直或平行于非磁性容器内的溶液表面。
5.根据权利要求1所述的一种纳米孔定向排列的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述的沥青为石油系沥青，其结焦温度≤450℃，沥青与分散液的质量比为2:（1~2）。
6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾冬青，李培，李亚洲，黄敏，
申请(专利权)人：安徽科达新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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