CN104058387B - 一种中空介孔碳材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中空介孔碳材料的制备方法。以Si、Ti、Cr或W的粉末和含碳气体为原料，使粉末表面碳化，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体前驱物；利用氯气对上述得到的复合粉体进行刻蚀，去除前驱物中的Si、Ti、Cr或W元素得到中空介孔碳材料。本发明中空结构的介孔碳材料在结构上区别于现有技术的均匀介孔材料，中空的大孔能更有效地传输离子，使微孔得到充分利用，不会因为微孔结构的“死孔”现象而导致电容量显著降低。中空结构的介孔碳材料在电容器电极材料的应用时，充电效率大大提高，充电时间显著减少。
Description
技术领域
本发明属于介孔材料制备领域，具体涉及一种中空介孔碳材料的制备方法。
背景技术
介孔碳材料由于比表面积大，广泛使用于超级电容器电极材料。
超级电容器应该具有充电时间短，电容量大的特点。为得到上述性能，电容器电极材料需要有大的比表面积，同时内部存在大孔、微孔。其原因为，碳材料比表面积大，可以提高电容量，大孔与微孔并存，大孔传输离子，微孔负载离子，提高离子响应速度，减少充电时间。
现有介孔材料中大多数微孔的直径小于2nm，孔径单一，缺乏能有效传输离子的大孔，致使其用作电容器电极材料时许多微孔没有得到充分利用，且充电速度比较慢，更有甚者，经一段时间使用后，会出现“死孔”现象，电容量会严重降低。
发明内容
本发明目的在于提供一种电极介孔材料，相对于现有介孔材料增加使用寿命的同时提高充电效率、降低充电时间。
一种中空介孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
以Si、Ti、Cr或W的粉末和含碳气体为原料，使粉末表面碳化，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体；
利用氯气对上述得到的复合粉体进行刻蚀，去除复合粉体中的Si、Ti、Cr或W元素得到中空介孔碳材料。
按上述方案，所述的Si、Ti、Cr、W粉末的粒径为20-50μm。
按上述方案，所述含炭气体为甲烷、乙烷或丙酮。
按上述方案，碳化反应温度为800-1200℃，反应时间3-5h。
按上述方案，氯化刻蚀温度为400℃-1200℃，反应时间为3h-6h。
按上述方案，所述氯化刻蚀过程中，反应气体为氯气，载气为氮气或氩气或两者的混合。
本发明的有益效果在于：
本发明中空结构的介孔碳材料在结构上区别于现有技术的均匀介孔材料，中空的大孔能更有效地传输离子，使微孔得到充分利用，不会因为微孔结构的“死孔”现象而导致电容量显著降低。
本发明中空结构的介孔碳材料在电容器电极材料的应用时，充电效率大大提高，充电时间显著减少。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明中空介孔碳材料，制备过程如下：
以Si、Ti、Cr或W的粉末和碳源气体为原料，使粉末表面碳化，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体前驱物；
利用氯气对上述得到的复合粉体进行刻蚀，去除前驱物中的Si、Ti、Cr或W元素得到中空介孔碳材料。中空结构的介孔碳材料在结构上区别于现有技术的均匀介孔材料，中空的大孔能更有效的传输离子，使微孔得到充分利用，不会因为微孔结构的“死孔”现象而导致电容量显著降低。
优化地，所述的Si、Ti、Cr、W粉末的粒径为20-50μm。
优化地，碳化反应温度为800-1200℃，反应时间3-5h。
优化地，氯化刻蚀温度为400℃-1200℃，反应时间为3h-6h。
实施例1
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取金属Ti粉10g，粒径为20-30μm，以CH4为碳源气体，800℃下反应5h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气，V氯气：V氮气＝1：1。温度为400℃，反应6h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为15.7μm，平均孔径1.6nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为260F/g，与现有材料相比充电时间缩短45％。
实施例2
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取金属Ti粉10g，粒径为35-45μm，以CH3CH3为碳源气体，1000℃下反应4h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氩气，V氯气：V氩气＝1：1，温度为800℃，反应5h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为20.5μm，平均孔径1.5nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为280F/g，与现有材料相比充电时间缩短48％。
实施例3
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取金属Ti粉10g，粒径为40-50μm，以CH3COCH3为碳源气体，1200℃下反应3h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气与氩气混合气，V氯气：V氮气：V氩气＝1：0.5：0.5，温度为1200℃，升温速度为15℃/min反应3h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为25.4μm，平均孔径1.3nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为300F/g，与现有材料相比充电时间缩短52％。
实施例4
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取Si粉10g，粒径20-30μm，以CH4为碳源气体，800℃下反应5h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气，V氯气：V氮气＝1：1，温度为400℃，升温速度为15℃/min，反应6h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为25.4μm，平均孔径1.9nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为290F/g，与现有材料相比充电时间缩短55％。
实施例5
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取Si粉10g，粒径35-45μm，以CH3CH3为碳源气体，900℃下反应4h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氩气，V氯气：V氩气＝1：0.5：1，温度为1000℃，升温速度为15℃/min，反应5h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为22.1μm，平均孔径1.8nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为280F/g，与现有材料相比充电时间缩短48％。
实施例6
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取Si粉10g，粒径40-50μm，以CH3COCH3为碳源气体，1200℃下反应3h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气与氩气混合气，V氯气：V氮气：V氩气＝1：0.5：0.5，温度为1200℃，升温速度为15℃/min，反应3h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为19.4μm，平均孔径1.7nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为295F/g，与现有材料相比充电时间缩短53％。
实施例7
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取Cr粉10g，粒径20-30μm，以CH4为碳源气体，800℃下反应5h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气，V氯气：V氮气＝1：1，温度为400℃，升温速度为15℃/min，反应6h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为24.5μm，平均孔径1.4nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为275F/g，与现有材料相比充电时间缩短50％。
实施例8
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取Cr粉10g，粒径30-40μm，以CH3CH3为碳源气体，1000℃下反应4h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氩气，V氯气：V氩气＝1：1，温度为800℃，升温速度为15℃/min，反应5h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为14.7μm，平均孔径1.3nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为295F/g，与现有材料相比充电时间缩短53％。
实施例9
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取Cr粉10g，粒径40-50μm，以CH3COCH3为碳源气体，1200℃下反应3h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气与氩气混合气，V氯气：V氮气：V氩气＝1：0.5：0.5，温度为1200℃，升温速度为15℃/min，反应3h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为12.2μm，平均孔径1.1nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为265F/g，与现有材料相比充电时间缩短43％。
实施例10
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取W粉10g，粒径20-30μm，以CH4为碳源气体，1200℃下反应5h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气，V氯气：V氮气＝1：1，温度为1200℃，反应3h，升温速度为15℃/min，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为19.2μm，平均孔径1.2nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为285F/g，与现有材料相比充电时间缩短53％。
实施例11
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取W粉10g，粒径30-40μm，以CH3CH3为碳源气体，900℃下反应4h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氩气，V氯气：V氩气＝1：1温度为900℃，升温速度为15℃/min，反应5h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为15.2μm，平均孔径1.1nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为295F/g，与现有材料相比充电时间缩短44％。
实施例12
一种中空介孔碳材料的制备，步骤如下：
取W粉10g，粒径40-50μm，以CH3COCH3为碳源气体，800℃下反应3h，升温速度为15℃/min，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体。将上述得到的复合粉体放入高温炉中进行氯化刻蚀，反应气体为氯气，载气为氮气与氩气混合气，V氯气：V氮气：V氩气＝1：0.5：0.5，温度为400℃，升温速度为15℃/min反应3h，得到中空介孔碳材料。
本实施例制备得到的中空介孔碳材料，中空孔径为22.3μm，平均孔径1.1nm。电流密度为0.5A/g时，比电容为255F/g，与现有材料相比充电时间缩短53％。
Claims (4)
1.一种中空介孔碳材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
以Si、Ti、Cr或W的粉末和含碳气体为原料，在800-1200℃环境中反应3-5h使粉末表面碳化，获得表面为碳化物、中间部位为单质材料的复合粉体前驱物；
利用氯气对得到的复合粉体进行刻蚀，刻蚀温度为400℃-1200℃，反应时间为3h-6h，去除前驱物中的Si、Ti、Cr或W元素得到中空介孔碳材料。
2.如权利要求1所述中空介孔碳材料的制备方法，其特征在于所述的Si、Ti、Cr、W粉末的粒径为20-50μm。
3.如权利要求1所述中空介孔碳材料的制备方法，其特征在于所述含碳气体为甲烷、乙烷或丙酮。
4.如权利要求1所述中空介孔碳材料的制备方法，其特征在于氯化刻蚀过程中，反应气体为氯气，载气为氮气或氩气或两者的混合。
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