CN116654894A - 一种二元复合多孔碳材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二元复合多孔碳材料的制备方法及应用；包括以下步骤：步骤1，将矿物模板和碳源分散均匀，加热搅拌，至溶剂完全挥发，烘干，得到前驱体；步骤2，置于惰性气体氛围中进行高温炭化，获得矿物模板/多孔碳复合材料；步骤3，置于无机酸溶液中搅拌，浸泡去除模板，制备二元复合多孔碳材料。本发明具有三维导电网络结构及孔道结构，不仅可以抑制二维碳材料间的团聚，大大增加比表面积和活性位点。将两种不同的碳材料复合，可以弥补单一维度碳材料结构和性能上的缺陷，实现各自优点的协同发挥；本发明材料价格低廉、环境友好，合成具有三维导电结构和三维孔结构的二元复合多孔碳材料，大大简化了工艺流程，同时降低了合成成本。
Description
技术领域
本发明属于纳米结构碳材料技术领域；尤其涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法及应用。
背景技术
化石燃料的枯竭及环境污染等问题，结合双碳战略目标背景，开发风能、太阳能等可再生清洁能源高效利用成为研究热点。然而这些清洁能源存在时间上或空间上的局限性，限制其大规模使用，新型储能器件-超级电容器为解决这一问题提供了突破口，迎来了极佳的发展机遇。超级电容器根据其储能机理不同可以分为：赝电容器、双电层电容器和混合电容器三种；其中双电层电容器具有长循环寿命和高功率密度等优点，在众多领域被广泛应用。其主要靠电极表面电荷的积累储能，因此，电极材料的比表面积、孔径分布、孔结构、有效活性位点是影响其比电容的主要因素。
纳米结构多孔碳材料具有孔道丰富、孔结构可控、成本低廉、环境友好、热稳定性及化学稳定性优异等优点，是常用的超级电容器电极材料。目前，常用的多孔碳材料主要有一维的碳纳米管、碳纳米纤维，二维的石墨烯、碳纳米片等，但是碳纳米管等一维碳材料电荷储存能力较差、石墨烯等二维材料极易团聚，使其比表面积及活性位点显著降低。此外，碳纳米管和石墨烯的合成存在过程复杂、成本高、能耗大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种二元复合多孔碳材料的制备方法及应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将矿物模板和碳源按质量比为1：0.5-1：10分散均匀，加热搅拌，至溶剂完全挥发，烘干，得到前驱体；
步骤(2)，将前驱体置于惰性气体氛围中进行高温炭化，获得矿物模板/多孔碳复合材料；
步骤(3)，将矿物模板/多孔碳复合材料置于无机酸溶液中搅拌，浸泡去除模板，制备二元复合多孔碳材料。
本发明制备得到的二元复合多孔碳材料形貌呈现一维管状和二维片状复合的特征，构成三维导电网状结构。
优选地，步骤(1)中，所述矿物模板为不同维度中的某一种或几种矿物的均匀混合物；所述碳源为葡萄糖、蔗糖、糠醇、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸中至少一种。
优选地，步骤(1)中，所述矿物模板为一维多孔矿物、二维多孔矿物或三维多孔矿物的一种或两种混合而成。
优选地，步骤(1)中，所述一维多孔矿物为纤水镁石、埃洛石、凹凸棒石、海泡石中的一种；所述二维多孔矿物为云母、蒙脱石、高岭土、蛭石、水滑石中的一种；所述三维多孔矿物为硅藻土、沸石中的一种。
优选地，步骤(1)中，所述矿物模板为两种不同维度混合时，用量按0.5：10-10：0.5的质量比计算。
优选地，步骤(1)中，所述加热搅拌的温度为50℃-95℃。目的是使溶剂发挥的过程中，碳源可以均匀沉积到矿物模板表面。
优选地，步骤(1)中，所述烘干的温度为100℃-150℃，时间为10-20h。目的是使溶剂完全挥发，得到干燥的前驱体。
优选地，步骤(2)中，所述高温炭化的温度为500℃-1000℃，时间为1-5h，升温速率为3-10℃/min。
优选地，步骤(3)中，所述无机酸溶液的浓度为0.5mol/L-3mol/L。
本发明还涉及前述的二元复合多孔碳材料的应用，所述二元复合多孔碳材料用于超级电容器电极材料、二氧化碳固体吸附剂材料、锂离子电池负极材料等中的应用，采用现有方法来制备成超级电容器电极，并对其电化学性能进行测试；称取上述二元复合多孔碳，加入10wt.％导电碳黑作为导电剂，10wt.％PTFE作为粘结剂，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，在研钵中研磨成均匀的浆料，将这些浆料涂敷在0.05mm厚的泡沫镍集流体上，作为三电极体系中的工作电极，其采用电解液体系为6M KOH。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所制备得到的二元复合多孔碳材料，具有三维导电网络结构及孔道结构，不仅可以抑制二维碳材料间的团聚，大大增加比表面积和活性位点；将两种不同的碳材料复合，可以弥补单一维度碳材料结构和性能上的缺陷，实现各自优点的协同发挥。
(2)本发明方法制备得到的二元复合多孔碳材料，具有三维导电结构，便利的电解液离子扩散通道，具有高比电容，故将二元复合多孔碳材料作为超级电容器电极材料的应用。
(3)本发明的使用的矿物模板材料价格低廉、环境友好，而且通过一步炭化法合成了具有三维导电结构和三维孔结构的二元复合多孔碳材料，大大简化了工艺流程，本发明方法简单易操作，产率较高，是一种成本较低的合成方法。
附图说明
图1是本发明实施例1制备二元复合多孔碳材料的流程示意图；
图2是本发明实施例1制备二元复合多孔碳材料的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1制备二元复合多孔碳材料在不同电流密度下的横流充放电曲线图；
图4是本发明实施例1制备二元复合多孔碳材料在不同电流密度下的比电容折线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，见图1所示，包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以3：1的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干；
步骤(2)，将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化；
步骤(3)，将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳；
本实施例制得的二元复合多孔碳材料的扫描电镜图如图2所示。由图2可知，合成的二元复合多孔碳材料中呈现丰富的一维中空管状结构，且单根中空纳米管之间相互交错堆叠，二维碳纳米片填充在管与管之间，使其相互连通，从而构成三维导电网络，此外，中空管之间还存在大量的孔隙，进一步为电解液离子的传输提供便利的通道，说明本实施例制得了二元复合多孔碳材料。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。
图3为制备的二元复合多孔碳材料在不同电流密度下(0.5-10A/g)的横流充放电曲线图，根据C＝It/mU比电容计算公式，借助横流充放电曲线计算其不同电流密度下的比电容如图4所示，在0.5A/g电流密度下比电容高达287.8F/g(性能对比详见表1)。
实施例2
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以3.5：0.5的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干。
步骤(2):将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化。
步骤(3):将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。本实施例制备的二元复合多孔碳材料在0.5A/g电流密度下比电容高达329.4F/g(性能对比详见表1)。
实施例3
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以2.5：1.5的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干。
步骤(2)，将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化。
步骤(3):将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。本实施例制备的二元复合多孔碳材料在0.5A/g电流密度下比电容高达235.2F/g(性能对比详见表1)。
实施例4
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以2：2的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干。
步骤(2)，将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化。
步骤(3)，将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。本实施例制备的二元复合多孔碳材料在0.5A/g电流密度下比电容高达188.3F/g(性能对比详见表1)。
实施例5
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以1.5：2.5的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干。
步骤(2)，将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化。
步骤(3):将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。本实施例制备的二元复合多孔碳材料在0.5A/g电流密度下比电容高达149.5F/g(性能对比详见表1)。
实施例6
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，例包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以1：3的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干。
步骤(2)，将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化。
步骤(3)，将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。本实施例制备的二元复合多孔碳材料在0.5A/g电流密度下比电容高达167.3F/g(性能对比详见表1)。
实施例7
本实施例涉及一种二元复合多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将一维纤维状和二维层状水镁石以0.5：3.5的质量比混合，加入与水镁石相同质量的聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌1h，超声分散0.5h，并在90℃油浴下加热搅拌10h，转移至110℃烘箱中10h烘干。
步骤(2)，将步骤(1)中获得的前驱体转入管式炉中以5℃/min的升温速率在氮气氛围中450℃保温1h，700℃加热2h，使其炭化。
步骤(3)，将步骤(2)中获得的炭化后产物冷却至室温的模板/碳源产物用稀盐酸和去离子水洗涤12h，离心后倒掉上层清液，将下层沉淀用氢氟酸洗涤12h，抽滤洗涤至溶液呈中性，110℃干燥，得到二元复合多孔碳。
分别将制备的二元复合多孔碳材料、导电碳黑和PTFE按照质量比8：1：1混合均匀，混合均匀后加入体积比1：1的无水乙醇和去离子水，研磨成浆料，涂敷在0.05mm厚的泡沫镍上，干燥、压片、电解液中浸润2h。用6M KOH作为电解液，在三电极体系中进行恒流充放电测试。本实施例制备的二元复合多孔碳材料在0.5A/g电流密度下比电容高达141.9F/g(性能对比详见表1为实施例1-7合成的材料的性能参数表)。
表1
| 组别 | 比电容(0.5A/g) | 比电容(1A/g) | 比电容(5A/g) |
| 实施例1 | 287.8 | 245.3 | 185 |
| 实施例2 | 329.4 | 234.5 | 168.1 |
| 实施例3 | 235.2 | 181.6 | 140.0 |
| 实施例4 | 188.3 | 149.0 | 116.3 |
| 实施例5 | 149.5 | 142.6 | 125.0 |
| 实施例6 | 167.3 | 134.9 | 100.0 |
| 实施例7 | 141.9 | 132.4 | 103.1 |
本发明实施例所涉及的二元复合多孔碳材料具有三维导电网络结构及孔道结构，不仅可以抑制二维碳材料间的团聚，大大增加比表面积和活性位点。将两种不同的碳材料复合，可以弥补单一维度碳材料结构和性能上的缺陷，实现各自优点的协同发挥；本发明的使用的矿物模板材料价格低廉、环境友好，而且通过一步炭化法合成了具有三维导电结构和三维孔结构的二元复合多孔碳材料，大大简化了工艺流程，同时降低了合成成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
Claims (10)
1.一种二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，将矿物模板和碳源按质量比为1：0.5-1：10分散均匀，加热搅拌，至溶剂完全挥发，烘干，得到前驱体；
步骤(2)，将前驱体置于惰性气体氛围中进行高温炭化，获得矿物模板/多孔碳复合材料；
步骤(3)，将矿物模板/多孔碳复合材料置于无机酸溶液中搅拌，浸泡去除模板，制备二元复合多孔碳材料。
2.如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述矿物模板为不同维度中的某一种或几种矿物的均匀混合物；所述碳源为葡萄糖、蔗糖、糠醇、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸中至少一种。
3.如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述矿物模板为一维多孔矿物、二维多孔矿物或三维多孔矿物的一种或两种混合而成。
4.如权利要求3所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述一维多孔矿物为纤水镁石、埃洛石、凹凸棒石、海泡石中的一种；所述二维多孔矿物为云母、蒙脱石、高岭土、蛭石、水滑石中的一种；所述三维多孔矿物为硅藻土、沸石中的一种。
5.如权利要求3所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述矿物模板为两种不同维度混合时，用量按0.5：10-10：0.5的质量比计算。
6.如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加热搅拌的温度为50℃-95℃。
7.如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述烘干的温度为100℃-150℃，时间为10-20h。
8.如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温炭化的温度为500℃-1000℃，时间为1-5h，升温速率为3-10℃/min。
9.如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述无机酸溶液的浓度为0.5mol/L-3mol/L。
10.一种二元复合多孔碳材料的应用，其特征在于，如权利要求1所述的二元复合多孔碳材料用于超级电容器电极材料、二氧化碳固体吸附剂材料、锂离子电池负极材料中的应用。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0251411A (ja) * | 1988-04-19 | 1990-02-21 | Vses N I Inst Tekhn Ugleroda | 多孔性炭素質材料 |
| US20110318254A1 (en) * | 2009-03-10 | 2011-12-29 | Toyo Tanso Co., Ltd. | Porous carbon and method of manufacturing same |
| CN103130209A (zh) * | 2013-03-20 | 2013-06-05 | 兰州理工大学 | 多孔碳电极材料的制备方法 |
| CN103855413A (zh) * | 2012-11-28 | 2014-06-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种锂-空气电池正极用多孔碳材料 |
| CN104715936A (zh) * | 2013-12-16 | 2015-06-17 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于超级电容器的分级多孔碳电极材料及制备方法 |
| CN108773841A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-09 | 广西师范大学 | 一种废弃硅藻土制备的多孔碳材料及其制备方法和应用 |
| CN110304629A (zh) * | 2018-03-25 | 2019-10-08 | 北京金羽新能科技有限公司 | 一种分级多孔炭材料及其制备的超级电容器 |
| US20190329235A1 (en) * | 2016-12-20 | 2019-10-31 | Kuraray Co., Ltd. | Porous carbon material, method for producing same and use of same |
| CN112499613A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-03-16 | 中国矿业大学 | 宽pH范围氧还原电催化用氮磷掺杂多孔碳的制备方法 |
-
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Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0251411A (ja) * | 1988-04-19 | 1990-02-21 | Vses N I Inst Tekhn Ugleroda | 多孔性炭素質材料 |
| US20110318254A1 (en) * | 2009-03-10 | 2011-12-29 | Toyo Tanso Co., Ltd. | Porous carbon and method of manufacturing same |
| CN103855413A (zh) * | 2012-11-28 | 2014-06-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种锂-空气电池正极用多孔碳材料 |
| CN103130209A (zh) * | 2013-03-20 | 2013-06-05 | 兰州理工大学 | 多孔碳电极材料的制备方法 |
| CN104715936A (zh) * | 2013-12-16 | 2015-06-17 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种用于超级电容器的分级多孔碳电极材料及制备方法 |
| US20190329235A1 (en) * | 2016-12-20 | 2019-10-31 | Kuraray Co., Ltd. | Porous carbon material, method for producing same and use of same |
| CN110304629A (zh) * | 2018-03-25 | 2019-10-08 | 北京金羽新能科技有限公司 | 一种分级多孔炭材料及其制备的超级电容器 |
| CN108773841A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-09 | 广西师范大学 | 一种废弃硅藻土制备的多孔碳材料及其制备方法和应用 |
| CN112499613A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-03-16 | 中国矿业大学 | 宽pH范围氧还原电催化用氮磷掺杂多孔碳的制备方法 |
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