CN108529588A - 有序中孔炭的制备方法 - Google Patents

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王利娜
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Abstract

本发明公开了一种有序中孔炭的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将三聚氰胺与甲醛水溶液混合，之后，在70～90℃搅拌，形成密胺树脂预聚体；将所述密胺树脂预聚体溶于乙醇，配成溶液A；将F127（EO106PO70EO106）溶于乙醇水溶液中，形成溶液B；将所述溶液B加入到所述溶液A中，搅拌均匀，静置，之后进行干燥，之后在保护气氛下炭化，即得。本发明工艺简单、生产成本低，所制备的产品具有良好的充放电性能。

Description

有序中孔炭的制备方法
技术领域
本发明涉及碳材料制备技术领域，具体涉及一种有序中孔炭的制备方法。
背景技术
随着环境问题和能源危机的日益严重，超级电容器作为一种环境友好的可再生能源的储能装置而成为重点的研究对象。超级电容器的用途非常广泛，如用作起重装置里可以提供超大电流的电力平衡电源，车辆的牵引能源和启动电源，激光武器的脉冲能源，微小电流供电的后备电源，智能表、智能热量表、智能电表（水表、煤气表）的启动电源；小型充电产品中充电电池的替代电源以及LED发光器、语音IC、电动玩具电动机等小功率电器的驱动电源等。
目前，用作超级电容器电极的材料的主要有导电聚合物、多孔炭材料以及过渡金属氧化物等。传统上常采用煤、沥青等矿物质原料来生产炭材料，此类原料虽具有含碳量高的优点，但是，矿物原料属于不可再生的资源，大量使用会对生态平衡与稳定造成毁灭性的破坏。
因此，有必要提供一种更佳的有序中孔炭的制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低、生态友好的有序中孔炭的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
炭基超级电容器主要是通过电解液和电极界面形成静双电层（EDL）来储存能量，此能量储存过程除了与电极材料的比表面积有关外，还与材料表面的杂原子和官能团有关，所述杂原子或官能团不但能够提高储能孔洞中电解液离子的浸润性，增加电化学可及面，而且还可利用法拉第赝电容反应来提高储电容量。密胺树脂，又被称为三聚氰胺-甲醛树脂，或蜜胺树脂、蜜胺甲醛树脂，是一种不熔的的热固性树脂，且其所用原料三聚氰胺分子中含有丰富的氮原子，因此，本发明经长期、大量的试验研究筛选出密胺树脂作为制备中孔炭材料的炭源。
设计一种有序中孔炭的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三聚氰胺、37%的甲醛、水按1～1.5g ：1～3mL ：4～6mL的量比混合，之后，在70～90 ℃进行搅拌，形成密胺树脂预聚体；
（2）按密胺树脂预聚体：无水乙醇=1: 3～5的质量比，将步骤（1）中所得密胺树脂预聚体溶于无水乙醇，配成溶液A；
（3）按EO106PO70EO106：所述密胺树脂预聚体=1: 3～8的质量比，将EO106PO70EO106溶于乙醇水溶液中，形成溶液B；
（4）将步骤（3）中所述溶液B加入到步骤（2）中所述溶液A中，搅拌均匀，静置，之后进行干燥；
（5）将步骤（4）所得产物在惰性气氛下炭化，即得；
优选的，在所述步骤（4）中，静置时间为6～12 h。
优选的，在所述步骤（4）中，干燥温度为100 ℃，干燥时间为24 h。
优选的，在所述步骤（5）中，碳化温度800～900 ℃。
优选的，在所述步骤（5）中，碳化时间为2～4 h。
优选的，在所述步骤（5）中，所述惰性气氛为选自氨气、氮气、氢气、氩气中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明工艺方法简单，生产成本低。
2.本发明所制备出的产品的孔隙发达，孔结构均匀，为典型的中孔材料。
3.本发明所制备出的材料，具有较大的孔径以及特殊的孔道有序的特性，使其有利于电解液离子的嵌入和脱出，因而具有良好的充放电性能。
附图说明
图1为实施例1所制备的有序中孔炭材料的SEM测试结果图；
图2为实施例1、2、4、5所制备产品的氮气吸附-脱附等温线图；
图3为实施例1、2、4、5所制备产品的孔径分布图；
图4为实施例4所制备的有序中孔炭材料MFMC-6恒电流充放电测试时第2次循环与第20此循环的电压-时间图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的材料及试剂，如无特别说明，均购自常规化学试剂商店；所涉及的测试、制备方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1 有序中孔炭的制备方法
将2.52g三聚氰胺、4 ml 37%的甲醛（分析纯）和10 ml蒸馏水加入到50ml的圆底烧瓶中，之后，置于85℃水浴中进行磁力搅拌，其中，三聚氰胺与甲醛反应形成澄清透明的密胺树脂预聚体溶液，待降至室温后，按照密胺树脂预聚体：无水乙醇=1:4的质量比，将所得密胺树脂预聚体全部加入到13.44 g无水乙醇中，配成均匀溶液A。按照F127（EO106PO70EO106）：所述密胺树脂预聚体=1:3的质量比，将1.12 g F127溶于18 ml无水乙醇和2 ml蒸馏水的混合溶液中，搅拌至得到澄清溶液，记作溶液B，将所述溶液B加入上述溶液A中，搅拌均匀，形成混合液。将所述混合液倒入培养皿中，在室温下放置6-12 h，使得乙醇挥发出去，将装有所述混合液的培养皿置于100 ℃烘箱中24 h，将产物从培养皿中刮下，之后将所述产物在氮气保护下900 ℃炭化3 h得到有序中孔炭材料，记为材料MFMC-3。
实施例2 有序中孔炭的制备方法
与实施例1不同的是：F127（EO106PO70EO106）：密胺树脂预聚体的质量比为1:4，其余均与实施例1相同。将所得材料记为MFMC-4。
实施例3 有序中孔炭的制备方法
与实施例1不同的是：F127（EO106PO70EO106）：密胺树脂预聚体的质量比为1:5，其余均与实施例1相同。将所得材料记为MFMC-5。
实施例4 有序中孔炭的制备方法
与实施例1不同的是：F127（EO106PO70EO106）：密胺树脂预聚体的质量比为1:6，其余均与实施例1相同。将所得材料记为MFMC-6。
实施例5 有序中孔炭的制备方法
与实施例1不同的是：F127（EO106PO70EO106）：密胺树脂预聚体的质量比为1:8，其余均与实施例1相同。将所得材料记为MFMC-8。
实施例6 对实施例1所制备的产品进行SEM测试
采用捷克FEI公司的Quanta 250型扫描电子显微镜观察实施例1所制备的产品的表面形貌。取实施例1所制备的样品研磨过筛，再用导电胶将样品固定在样品台上，喷金处理后，打开电子扫描显微镜进入工作状态，放入样品，通过移动样品台、调整放大倍数、调整得到合适的图像最后拍照保存获得各个样品的表面形貌，实施例1所制备的有序中孔炭材料的SEM测试结果如附图1。
附图1是实施例1所制备的有序中孔炭材料在扫描电镜（SEM）下测试的放大10000倍的微观表面形貌，从图中可看出其孔道清晰，呈现出蜂窝状结构，具有大量的孔隙。
实施例7对实施例1、2、4、5所制备的产品进行比表面积及孔径测试
取实施例1、2、4、5所制备的样品各0.1 g，在250 ℃下真空脱气8 h，使用美国康塔仪器公司生产的2QDS-MP-30的比表面积孔径测定仪测试。测试样品的N2吸附-脱附等温线，结果如附图2。利用Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法计算材料的比表面积，用t-plot方法计算微孔比表面积和微孔体积，用BJH理论分析孔径分布，孔径分布如附图3，实施例1、2、4、5所制备样品的孔结构参数如下表1。
表1 各样品的孔结构参数
。
由附图2可知，实施例1、2、4、5所制备材料的吸附-脱附等温线是有典型的IV型等温线，是典型的中孔炭材料的N2吸附-脱附等温线。
从上表1结果中可看出，当加入不同比例的模板剂F127后，所制备的MFMC-8、MFMC-6、MFMC-4、MFMC-3材料中没有微孔的存在，是典型的中孔炭材料，能更好的使电极材料和电解液相接处，有利于炭基电容器比容量的提高。从附图3孔径分布图也可看出MFMC-8、MFMC-6、MFMC-4、MFMC-3属于典型的中孔炭材料。
实施例8 对实施例5所制备的产品进行电化学性能测试
将实施例4制备的有序中孔炭材料MFMC-6用研钵磨成粉末，并过200目筛，称取50 mg所述有序中孔炭材料在烘箱中进行干燥至恒重后（110 ℃≥12 h），冷却至室温。按照有序中孔炭材料:聚四氟乙烯: 导电炭黑=84:8:8的质量比，将所述有序中孔炭材料用乙醇浸润后与所述聚四氟乙烯、炭黑进行混合，并充分搅拌均匀，直至成为口香糖状的物质。然后将其辊炼成片状，裁取直径约为1 cm（约5-10 mg）的混合物圆片，并用油压机把它与已称重的泡沫镍在5 MPa压力下持续30 s压成电极片，最后在烘箱中以110 ℃干燥12 h后，得到炭基电极片。
将两个炭基电极片与聚丙烯薄膜用6 mol/L 的KOH水溶液浸渍6 h，然后将所述两个炭基电极片中间用所述聚丙烯隔膜隔开，并把有炭的一面相对放好，放入纽扣电池壳中，滴加6 mol/L的KOH水溶液作为电解液，用密封机用力加紧，使两片外壳充分扣紧实，制得扣式电容器。
采用深圳市新威尔电子有限公司生产的CT-3008W-5V5mA-S4电池测试系统对样品进行恒流充放电测试，数据采集时间间隔为2 s总共循环20次。测试条件为6 mol/L的氢氧化钾电解液，电流密度为0.1 A/g，电压范围为0-1 V。
实施例4制备的有序中孔炭材料MFMC-6的电极恒电流充放电测试时第2次循环与第20此循环电压-时间图如附图4。
由附图4可知，对有序中孔炭MFMC-6进行恒电流充放电测试，其中，电压和时间呈线性关系，且充电曲线与放电曲线基本与等腰三角形相似。经过20次充放电实验后，恒流充放电曲线图形基本保持不变，说明了材料拥有良好的电容特性。
实施例4制备的有序中孔炭材料MFMC-6的比电容采用公式计算，其中I指放电电流，单位为mA；Δt指放电的时间，单位为s；ΔU指电压降，单位为V；m指纽扣式电容器中恒重后的活性炭的质量的平均值，单位为mg。计算结果如下表2。
表2样品在KOH电解液中的比电容
。
从上表2可看出，实施例4所制备的样品在循环20次后比电容值比第2次的比电容高一些，这可能是因为多次循环充放电后MFMC炭材料的电化学性能趋于稳定状态，在最大程度上激发了材料的储电性能。但总体来说波动不大，从而反映了样品优异的电化学性能。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (6)

1.一种有序中孔炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将三聚氰胺、37%的甲醛、水按1～1.5g ：1～3mL ：4～6mL的量比混合，之后，在70～90 ℃进行搅拌，形成密胺树脂预聚体；
（2）按密胺树脂预聚体：无水乙醇=1:3～5的质量比，将步骤（1）中所得密胺树脂预聚体溶于所述无水乙醇中，配成溶液A；
（3）按EO106PO70EO106：所述密胺树脂预聚体=1: 3～8的质量比，将EO106PO70EO106溶于乙醇水溶液中，形成溶液B；
（4）将步骤（3）中所得溶液B加入到步骤（2）中所述溶液A中，搅拌均匀，静置，之后进行干燥 ；
（5）将步骤（4）中干燥后所得产物在惰性气氛下炭化，即得；
根据权利要求1所述的有序中孔炭的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述搅拌过程为在85 ℃水浴中进行。
2. 根据权利要求1所述的有序中孔炭的制备方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，静置时间为6～12 h。
3. 根据权利要求1所述的有序中孔炭的制备方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，干燥温度为100 ℃，干燥时间为24 h。
4. 根据权利要求1所述的有序中孔炭的制备方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，碳化温度为800～900 ℃。
5. 根据权利要求1所述的有序中孔炭的制备方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，炭化时间为2～4 h。
6.根据权利要求1所述的有序中孔炭的制备方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，所述惰性气氛为选自氨气、氮气、氢气、氩气中的至少一种。
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