CN106554004A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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CN 104685672A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CN 103130209A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。
发明内容
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，本发明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。本发明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，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明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。
本发明中，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。
本发明中，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、2，2-二甲氧基丙烷、二氯代联苯和碳纳米棒等。
本发明中，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，其中聚合物前驱体具有多孔结构。
优选地，所述多孔碳材料的孔径大小为0.1～100nm，例如0.1nm～1nm、1～10nm、10～20nm、20～30nm、30～40nm、40～50nm、50～60nm、60～70nm、70～80nm、80～90nm或90～100nm等。
优选地，所述多孔碳材料的比表面积为10～3000m2/g，例如10～100m2/g、100～500m2/g、500～1000m2/g、1000～1500m2/g、1500～2000m2/g、2000～2500m2/g或2500～3000m2/g等，优选为100～2000m2/g。
第二方面，本发明提供了上述多孔碳材料的制备方法，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。
本发明中，所述原料为芳香族化合物单体以及有机二醚类单体和/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)，优选为1:(1～4)。
优选地，所述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、二氯代萘或二氯代蒽中任意一种或至少两种的组合。
优选地，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。
优选地，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氮气和氦气的组合，氦气和氖气的组合，氖气和氩气的组合，氖气、氩气和氙气的组合，氮气、氦气、氖气、氩气和氙气的组合等。
本发明中，所述热处理的温度为350～2000℃，例如350℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃或2000℃等，优选为800～1200℃。
优选地，所述热处理的时间为0.5～5h，例如0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h等，优选为1～3h。
本发明中，所述聚合物前驱体的制备方法为：在冰浴条件下，将配方量的原料、溶剂以及催化剂加入反应容器中搅拌均匀，在40～80℃下反应12～48h，然后冷却，洗涤得到聚合物前驱体。
其中，反应温度可为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等；反应时间可为12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h、26h、28h、30h、32h、34h、36h、38h、40h、42h、44h、46h或48h等。
优选地，所述溶剂为二氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或二甲亚砜中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：二氯乙烷和二氯甲烷的组合，三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的组合，三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺和二甲亚砜的组合等，优选为二氯乙烷，该方法中的溶剂并不仅限于所列举的实例，其为本领域中现有技术，可根据实际需要进行选择。
优选地，所述催化剂为氯化铝、氯化铁、三氟化硼或氯化锌中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氯化铝和氯化铁的组合，三氟化硼和氯化锌的组合，氯化铝、氯化铁、三氟化硼和氯化锌的组合等。该方法中的催化剂并不仅限于所列举的实例，其为本领域中现有技术，可根据实际需要进行选择。
第三方面，本发明提供了上述多孔碳材料的用途，其应用于锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、空气电池和超级电容器领域，但又不限于上述领域。
将所述多孔碳材料应用于锂硫电池，是将多孔碳材料与单质硫混合加热得到可以用作锂硫电池正极的多孔碳/硫复合材料，其所用单质硫可以为升华硫、沉降硫或精制硫中任意一种或至少两种的组合，优选为升华硫。
本发明方案中高温碳化后所得的多孔碳材料具有良好的导电性，在锂硫电池工作中能够储硫并防止多硫化物溶出，从而表现出高的放电比容量，高的循环稳定性和良好的倍率性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃类单体按一定比例混合，还可添加低维碳纳米材料，通过溶剂热法进行原位复合得到多孔聚合物前驱体，再在惰性气体保护下对多孔聚合物前驱体进行程序升温的高温热处理，得到具有丰富孔道结构、良好机械强度和孔径均匀的多孔碳材料；同时经过高温处理使多孔碳材料具有良好的导电性。
(2)本发明所述的基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料，其多孔聚合物前驱体的收率在95wt％以上，多孔聚合物前驱体经过高温处理后收率在60wt％左右，其较高的产率和产量能够满足实际生产需求。
(3)本发明所述的基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料在锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、空气电池和超级电容器领域中具有良好的应用前景。其中，碳纳米材料作为导电网络的构建桥梁，不仅起到了增强电子和离子传输的作用，而且经高温碳化后所得的多孔碳材料具有良好的导电性，从而使电池表现出高的放电比容量、高的循环稳定性和良好的倍率性能。所述多孔碳材料应用于锂硫电池时，循环300圈后放电比容量仍能保持在600mAh/g左右；其应用于锂离子电池时，循环500圈后放电比容量仍能保持在600mAh/g左右。
附图说明
图1是本发明实施例1制备得到的多孔碳材料的高分辨透射电镜照片；
图2是本发明实施例1制备得到的多孔碳材料的扫描电子显微镜照片；
图3是本发明实施例1制备得到的多孔碳/硫复合材料用于锂硫电池的循环性能曲线；
图4是本发明实施例1制备得到的多孔碳/硫复合材料用于锂硫电池的倍率性能曲线；
图5是本发明实施例6制备得到的多孔碳材料用于超级电容器的循环伏安曲线；
图6是本发明实施例6制备得到的多孔碳材料用于超级电容器的充放电曲线；
图7是本发明实施例8制备得到的多孔碳材料用于锂离子电池的循环性能曲线；
图8是是本发明实施例8制备得到的多孔碳材料用于锂离子电池的倍率性能曲线。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
实施例1：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.78g苯、0.078g多壁碳纳米管和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，苯和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:3，多壁碳纳米管和苯的质量比为1:10)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁，然后进行烘干，烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，在1000℃处理1小时，得到多孔碳材料，其微观结构如图1和图2所示。
测得制得的多孔碳材料的比表面积为1000m2/g；机械性能良好。
利用所得多孔碳材料制备多孔碳/硫复合材料，将其用于锂硫电池，并对其进行电化学性能测试，测试结果如图3和图4所示。从图3可以看出在循环300圈后放电比容量仍能保持在600mAh/g，说明所述多孔碳/硫复合材料具有良好的循环稳定性，从图4可以看出，随着充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0C下放电比容量仍能保持700mAh/g，而且再次在0.2C条件下，放电比容量恢复至1100mAh/g，说明所述多孔碳/硫复合材料具有良好的倍率性能。
实施例2：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.78g苯和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，苯和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:3)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁，然后进行烘干，烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，在900℃处理1.5小时，得到多孔碳材料。
实施例3：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷，0.78g苯和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入1.14g二甲氧基甲烷(其中，苯和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:1.5)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至40℃并保持5小时，后升温至80℃保持20小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，900℃处理1.5小时，得到多孔碳材料。
利用所得多孔碳材料制备多孔碳/硫复合材料，将其用于锂硫电池，对其进行电化学性能测试。所制备的多孔碳/硫复合材料具有良好的循环稳定性，在循环300圈后放电比容量仍能保持在650mAh/g；并且随着充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0C下放电比容量仍能保持750mAh/g，而且再次在0.2C条件下，放电比容量恢复至1100mAh/g，说明所述多孔碳/硫复合材料具有良好的容量恢复性能。
实施例4：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.78g苯和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入3.6g二甲氧基乙烷(其中，苯和二甲氧基乙烷的摩尔比为1:4)，继续在冰浴下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，900℃处理1.5小时，得到多孔碳材料。
利用所得多孔碳材料制备多孔碳/硫复合材料，将其用于锂硫电池，对其进行性能测试。所制备的多孔碳/硫复合材料具有良好的循环稳定性，在循环300圈后放电比容量仍能保持在630mAh/g；并且随着充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0C下放电比容量仍能保持720mAh/g，而且再次在0.2C条件下，放电比容量恢复至1200mAh/g，说明所述多孔碳/硫复合材料具有良好的容量恢复性能。
实施例5：
在冰浴下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.67g吡咯、0.08g碳纳米纤维和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，吡咯和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:3，碳纳米纤维和吡咯的质量比为1:8)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，800℃处理2小时，得到多孔碳材料。
利用所得多孔碳材料制备多孔碳/硫复合材料，将其用于锂硫电池，对其进行电化学性能测试。所制备的多孔碳/硫复合材料具有良好的循环稳定性，在循环300圈后放电比容量仍能保持在634mAh/g；并且随着充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0C下放电比容量仍能保持726mAh/g，而且再次在0.2C条件下，放电比容量恢复至1100mAh/g，具有良好的循环性能。
实施例6：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.84g噻吩和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，噻吩和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:3)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，800℃处理2小时，得到多孔碳材料。
将制备得到的多孔碳材料应用于超级电容器中，对其进行性能测试，如图5和图6所示，从图中可以看出所述多孔碳材料具有良好的循环性能，超级电容器具有良好的电化学性能。
实施例7：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.68g呋喃和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，呋喃和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:3)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，800℃处理2小时，得到多孔碳材料。
将制备得到的多孔碳材料应用于超级电容器中，该超级电容器具有良好的电化学性能。
实施例8：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、1.28g萘和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，萘和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:3)，继续冰浴下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，1200℃处理1小时，得到多孔碳材料。
将制得的多孔碳材料用于锂离子电池，对其进行电化学性能测试，如图7和图8所示，从图7可以看出多孔碳材料具有较好的循环稳定性，其循环500圈后放电比容量仍能保持在600mAh/g，从图8可以看出，随着电池充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0A/g下放电比容量仍能保持在500mAh/g左右，具有良好的倍率性能，尤其是高倍率性能。
实施例9：
在冰浴下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.34g吡咯、0.34g呋喃，0.068g多壁碳纳米管和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，吡咯、呋喃和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:1:6，多壁碳纳米管、吡咯和呋喃的质量比为1:5:5)，继续在冰浴条件下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，800℃处理2小时，得到多孔碳材料。
将制得的多孔碳材料用于锂离子电池，对其进行电化学性能测试，多孔碳材料具有较好的循环稳定性，其循环500圈后放电比容量仍能保持在610mAh/g，随着电池充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0A/g下放电比容量仍能保持在500mAh/g左右，具有良好的倍率性能，尤其是高倍率性能。
实施例10：
在冰浴条件下，向厚壁耐压瓶中加入20mL 1,2-二氯乙烷、0.34g吡咯，0.42g噻吩和1.6g无水三氯化铁，磁力搅拌均匀后加入2.28g二甲氧基甲烷(其中，吡咯、噻吩和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:1:6，)，继续冰浴下磁力搅拌0.5小时至均匀。升温至45℃并保持5小时，后升温至80℃保持19小时后停止加热。冷却至室温后，用无水甲醇洗净副产物和三氯化铁。烘干后将所得到的多孔聚合物放入管式炉中，800℃处理2小时，得到多孔碳材料。
将制得的多孔碳材料用于锂离子电池，对其进行电化学性能测试，多孔碳材料具有较好的循环稳定性，其循环500圈后放电比容量仍能保持在610mAh/g，随着电池充放电倍率的增加，其放电比容量出现了衰减，但在2.0A/g下放电比容量仍能保持在500mAh/g左右，具有良好的倍率性能，尤其是高倍率性能。
实施例11：
除了苯和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:1，多壁碳纳米管和苯的质量比为1:5外，其他物质的用量和其他步骤均与实施例1中相同，制备得到多孔碳材料。
实施例12：
除了苯和二甲氧基甲烷的摩尔比为1:10，多壁碳纳米管和苯的质量比为1:20外，其他物质的用量和其他步骤均与实施例1中相同，制备得到多孔碳材料。
对比例：
除了制备过程中不添加有机二醚类单体和/或二取代卤代烃单体外，其他物料用量和制备过程均与实施例1相同，制备得到多孔碳材料。
测得多孔碳材料的比表面积为50m2/g。
将其用于锂硫电池，对锂硫电池进行性能测试，所得锂硫电池仅能循环10圈，容量为200mAh/g。
将其用于超级电容器，对超级电容器进行性能测试，所得超级电容器在1A/g的倍率下，容量仅为30F/g。
将其应用于锂离子电池，对锂离子电池进行性能测试，所得锂离子电池仅能循环20圈，容量为50mAh/g。
综合实施例1-12和对比例中的结果可以看出，本发明将芳香族化合物单体与有机二醚类单体和/或二取代卤代烃类单体按一定比例混合，还可添加低维碳纳米材料，通过溶剂热法进行原位复合得到多孔聚合物前驱体，再在惰性气体保护下对多孔聚合物前驱体进行程序升温的高温热处理，得到具有丰富孔道结构、良好机械强度和孔径均匀的多孔碳材料；同时经过高温处理使多孔碳材料具有良好的导电性。本发明所述的基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料，其多孔聚合物前驱体的收率在95wt％以上，多孔聚合物前驱体经过高温处理后收率在60wt％左右，其较高的产率和产量能够满足实际生产需求。本发明所述的基于芳香族化合物单体制备的多孔碳材料在锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、空气电池和超级电容器领域中具有良好的应用前景。其中，碳纳米材料作为导电网络的构建桥梁，不仅起到了增强电子和离子传输的作用，而且经高温碳化后所得的多孔碳材料具有良好的导电性，从而使电池表现出高的放电比容量、良好的循环稳定性和倍率性能。所述多孔碳材料应用于锂硫电池时，其循环300圈后放电比容量仍能保持在600mAh/g左右；其应用于锂离子电池时，其循环500圈后放电比容量仍能保持在600mAh/g左右。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
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，所述原料为芳香族化合物单体以及有机二醚类单体和/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)，优选为1:(1～4)；
优选地，所述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、二氯代萘或二氯代蒽中任意一种或至少两种的组合；
优选地，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；
优选地，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为350～2000℃，优选为800～1200℃；
优选地，所述热处理的时间为0.5～5h，优选为1～3h。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物前驱体的制备方法为：在冰浴条件下，将配方量的原料、溶剂以及催化剂加入反应容器中搅拌均匀，在40～80℃下反应12～48h，然后冷却，洗涤得到聚合物前驱体；
优选地，所述溶剂为二氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或二甲亚砜中任意一种或至少两种的组合，优选为二氯乙烷；
优选地，所述催化剂为氯化铝、氯化铁、三氟化硼或氯化锌中任意一种或至少两种的组合。
10.根据权利要求1-5任一项所述的多孔碳材料的用途，其应用于锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、空气电池和超级电容器领域。
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Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN107195480A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-09-22 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性多孔碳材料及其制备方法与应用 |
| CN107722277A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-02-23 | 西北工业大学 | 一种有机/无机杂化颗粒的制备方法 |
| CN108002362A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-05-08 | 许昌学院 | 一种芳香骨架多孔碳材料、制备方法和应用 |
| CN112646127A (zh) * | 2020-12-05 | 2021-04-13 | 吉林大学 | 联苯为基块构筑的多孔芳香骨架材料及其机械球磨制备方法 |
| CN113921799A (zh) * | 2021-10-12 | 2022-01-11 | 河北农业大学 | 一种钠离子电池负极材料的制备方法及所制备的负极材料 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101006007A (zh) * | 2004-08-16 | 2007-07-25 | 王静 | 由芳香族有机前体制备整体多孔碳盘的方法 |
| CN102583312A (zh) * | 2012-02-09 | 2012-07-18 | 郑州大学 | 一种氮、磷掺杂多孔碳球的制备方法及应用 |
| CN104211041A (zh) * | 2014-07-24 | 2014-12-17 | 巨化集团技术中心 | 一种聚氯乙烯木塑材料废弃物回收再利用的方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101006007A (zh) * | 2004-08-16 | 2007-07-25 | 王静 | 由芳香族有机前体制备整体多孔碳盘的方法 |
| CN102583312A (zh) * | 2012-02-09 | 2012-07-18 | 郑州大学 | 一种氮、磷掺杂多孔碳球的制备方法及应用 |
| CN104211041A (zh) * | 2014-07-24 | 2014-12-17 | 巨化集团技术中心 | 一种聚氯乙烯木塑材料废弃物回收再利用的方法 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107195480A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-09-22 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性多孔碳材料及其制备方法与应用 |
| CN107722277A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-02-23 | 西北工业大学 | 一种有机/无机杂化颗粒的制备方法 |
| CN108002362A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-05-08 | 许昌学院 | 一种芳香骨架多孔碳材料、制备方法和应用 |
| CN112646127A (zh) * | 2020-12-05 | 2021-04-13 | 吉林大学 | 联苯为基块构筑的多孔芳香骨架材料及其机械球磨制备方法 |
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