一種多孔碳材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多孔碳材料的制備方法，屬于節(jié)能環(huán)?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】。多孔碳材料是采用多孔聚合物為模板，將碳材料前驅(qū)體先吸附到多孔聚合物基體上，然后高溫?zé)舳嗫拙酆衔锘w，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的碳材料。多孔聚合物模板法得到的碳材料具有比表面積大，孔徑分布廣和孔徑可調(diào)等性質(zhì)，顯著提高了碳材料超級電容器和電容除鹽性能。多孔聚合物在多孔碳材料的制備過程中可以有效地避免碳層的堆疊，同時使碳材料保留較好的多孔結(jié)構(gòu)。利用該方法制備的碳材料表面可以形成大量雙電層，從而提高超級電容器的雙電層電容，并顯著提高其電容除鹽性能。
【專利說明】一種多孔碳材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔碳材料的制備方法，屬于節(jié)能環(huán)?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔碳材料是指具有不同孔結(jié)構(gòu)的碳材料，其孔徑大小可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求進(jìn)行調(diào)控。多孔碳材料的孔徑范圍較廣，從納米級微孔到微米級大孔。多孔碳材料兼有孔結(jié)構(gòu)的大比表面積，可控的孔道結(jié)構(gòu)和孔徑可調(diào)的特點和碳材料的化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)電性好和廉價等優(yōu)點。獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的化學(xué)性能使多孔碳材料可以在氣體分離，水的凈化，色譜分析，催化，光催化等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0003]多孔碳材料的性能主要取決于其比表面積和孔結(jié)構(gòu)。目前，多孔碳材料常用的制備方法有活化法和模板法。其中，活化法的造孔效率較低，而且在造孔的過程中還會損失一部分碳材料。相反，模板法則可以利用模板有效地控制碳材料的孔結(jié)構(gòu)，從而制備出孔徑可調(diào)的碳材料。模板法又分為兩種:軟模板法和硬模板法。其中，軟模板法采用的模板主要是表面活性劑，而大量表面活性劑的使用則會對環(huán)境造成污染。硬模板法雖然不會造成對環(huán)境的污染，但硬模板的制備相對復(fù)雜，而且有些硬模板價格昂貴，且制備工藝較為復(fù)雜。所以，選擇一種合適的方法制備多孔碳材料顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有制備多孔碳材料的過程中容易出現(xiàn)堆疊的問題，提供一種多孔碳材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]一種多孔碳材料的制備方法，具體步驟如下:
[0007]步驟一、將多孔聚合物浸入到碳材料的分散液中，待碳材料在多孔聚合物上吸附飽和，取出，烘干，如此多次反復(fù)，直至得到飽和了碳材料的多孔聚合物基體；
[0008]步驟二、將步驟一所得的多孔聚合物基體在惰性氣氛下高溫煅燒，即得到多孔碳材料；
[0009]所述的多孔聚合物為:聚氨酯，聚乙烯，纖維素等所有可以在高溫下分解的聚合物。
[0010]所述的碳材料為:石墨烯,碳納米管,炭黑,石墨，碳纖維,碳納米帶。
[0011]步驟二所述高溫為400~1500°C。
[0012]有益效果
[0013]1、本發(fā)明的一種多孔碳材料的制備方法，因為聚合物的骨架結(jié)構(gòu)避免了碳材料的團(tuán)聚，該方法較好地解決了碳材料在制備過程中容易堆疊的問題，使碳材料在超級電容器和電容除鹽應(yīng)用中可以更充分地被利用。
[0014]2、本發(fā)明的一種多孔碳材料的制備方法，因為聚合物的骨架結(jié)構(gòu)可以起到模板作用，該方法制備的碳材料具有多孔結(jié)構(gòu)，且孔徑結(jié)構(gòu)可以由多孔聚合物調(diào)節(jié)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0015]圖1為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的掃描電鏡圖
[0016]圖2為沒有采用任何模板制備的石墨烯的掃描電鏡圖
[0017]圖3為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的氮氣吸附-脫附曲線
[0018]圖4為沒有采用任何模板制備的石墨烯的氮氣吸附-脫附曲線
[0019]圖5為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的孔徑分布圖
[0020]圖6為沒有采用任何模板制備的石墨烯的孔徑分布圖
[0021]圖7為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯的大孔孔徑分布圖
[0022]圖8為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯在1.5MNaCl溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環(huán)伏安曲 線
[0023]圖9為沒有采用任何模板制備的石墨烯在1.5MNaCl溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環(huán)伏安曲線
[0024]圖10為采用聚氨酯為模板制備的石墨烯在6MK0H溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環(huán)伏安曲線
[0025]圖11為沒有采用任何模板制備的石墨烯在6MK0H溶液中掃速從10mV/S到200mV/s的循環(huán)伏安曲線
[0026]圖12為采用聚氨酯為模板和沒有采用模板制備的石墨烯的除鹽曲線
[0027]圖13為采用聚氨酯為模板和沒有采用模板制備的石墨烯的除鹽循環(huán)過程曲線
[0028]圖14為采用聚乙烯為模板制備的炭黑的掃描電鏡圖
[0029]圖15為采用聚乙烯為模板制備的炭黑在6MK0H溶液中掃速為5mV/s的循環(huán)伏安曲線
[0030]圖16為采用纖維素為模板制備的碳納米管的掃描電鏡圖
[0031]圖17為采用纖維素為模板制備的碳納米管在6MK0H溶液中掃速為5mV/s的循環(huán)伏安曲線
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0033]實施例1
[0034]把洗干凈的聚氨酯浸入到氧化石墨烯的分散液中，待氧化石墨烯在聚氨酯上吸附飽和，取出，烘干，再次浸入，取出，烘干，如此多次反復(fù)，最終得到飽和了氧化石墨烯的聚氨酯基體。將聚氨酯基體放入管式爐中在氬氣氣氛條件下900°C煅燒2h得到多孔石墨烯材料(下面標(biāo)記為A)。
[0035]按質(zhì)量百分比85:10:5的比例稱取制備好的多孔碳材料，導(dǎo)電材料和PTFE懸浮液，超聲分散0.5h使其均勻。裁剪IOcmX 5cm的碳纖維紙(北京吉興盛安工貿(mào)有限公司)作為電極基材，將超聲分散好的多孔碳材料的懸浮液均勻的涂覆在電極基材上，然后放入110°C的真空干燥箱中干燥過夜，得到涂覆好的電極片。
[0036]為了更好的說明本發(fā)明所述的以多孔聚合物為模板制備多孔碳材料的方法，我們采用常規(guī)方法制備了石墨烯材料。其制備方法如下:將氧化石墨烯制備成分散液，干燥后將產(chǎn)品在900°C氬氣氣氛下煅燒2h制得石墨烯材料(下面標(biāo)記為B)。把制備好的石墨烯材料用同樣的方法制備得到電極，以供下面測試使用。
[0037]1.表面形貌
[0038]圖1和圖2分別為A和B材料的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，A具有多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑范圍可以達(dá)到微米級，而B材料呈破碎狀，不具備大孔結(jié)構(gòu)。而材料的孔結(jié)構(gòu)在其電化學(xué)應(yīng)用中起到重要的作用。就超級電容器而言，合適的孔徑結(jié)構(gòu)有利于形成更多的雙電層，進(jìn)而產(chǎn)生更多的雙電層電容。從電容除鹽的角度說，多孔結(jié)構(gòu)有利于更多鹽的電化學(xué)吸附。因此，A材料具有可以充分發(fā)揮其電化學(xué)性能的獨特結(jié)構(gòu)。
[0039]2.孔徑，比表面積分析[0040]圖3和圖4分別是A和B材料的氮氣吸附-脫附測試曲線。其中A材料的比表面積為305!!?'高于B材料的比表面積(HSm2gI。大的比表面積是由于聚氨酯減少了石墨烯在制備過程中的堆疊。圖5和圖6分別是A和B的孔徑分布圖，從圖中看出A的孔尺寸大于3.5nm并具有從3.5nm到IOnm的孔徑分布。與之不同的是，B的孔徑集中在5nm以下。為了更好的說明A的孔徑分布，我們對其做了壓汞測試，如圖7。結(jié)果表明A的孔徑分布為32.4nm到89.9 μ m。綜上，A具有比表面積大，孔徑分布廣的特點。
[0041]3.電化學(xué)性能
[0042]圖8和圖9分別是A和B材料在1.5MNaCl溶液中的循環(huán)伏安圖。從圖中可以看出A材料的循環(huán)伏安圖形更接近于矩形，這說明其導(dǎo)電性相對更好。另外，其比電容也相對較大，在掃描速度為SmViT1時，A材料和B材料的比電容分別為eeFg—1和34Fg'這說明A材料在中性溶液中具有比B材料優(yōu)異的超級電容器性能。
[0043]圖10和圖11分別是A和B材料在6MK0H溶液中的循環(huán)伏安圖。從圖中可以看出A的循環(huán)伏安曲線呈矩形形狀，表明其具有理想的雙電層電容性能。其比容量在IOmViT1的掃速下可以達(dá)到287Fg'與之不同的是，B材料的循環(huán)伏安曲線呈傾斜狀，這說明其導(dǎo)電性相對較差。其在IOmViT1的掃速下的比容量也僅為78Fg'通過比較可知，A在堿性溶液中具有優(yōu)異的超級電容器性能。
[0044]圖12和圖13分別是A和B材料的除鹽性能和再生性能的測試。我們配制了初始電導(dǎo)率為160 μ S/cm的NaCl溶液，用于進(jìn)行電容除鹽測試。其中鹽溶液的體積為20mL，兩極板間距離為1mm，兩極板間施加的電壓為1.5V,流速為3mL/min。將采用A和B材料涂覆的電極插入到電容除鹽裝置，給兩極板加上1.5V的外加電壓，測試溶液電導(dǎo)率隨時間的變化。當(dāng)電吸附達(dá)到飽和后，把正、負(fù)極板短接，接著測試離子從電極脫附過程中電導(dǎo)率的變化。從圖7可以看出A材料在相同時間具有更高的除鹽效率，其60min內(nèi)的除鹽效率可以達(dá)到4.gSmgg—1,而B材料在60min內(nèi)的除鹽效率僅為2.SSmgg'另外，圖8中除鹽后電極的再生曲線也顯示，A材料涂覆的電極可以在25min得到再生，這比B材料的30min要快。綜上，A材料具有較好的電容除鹽性能。
[0045]實施例2
[0046]把洗干凈的聚乙烯浸入到炭黑的分散液中，待炭黑在聚乙烯上吸附飽和，取出，烘干，再次浸入，取出，烘干，如此多次反復(fù)，最終得到飽和了炭黑的聚乙烯基體。將聚乙烯基體放入管式爐中在氬氣氣氛條件下400°C煅燒2h得到多孔炭黑材料。
[0047]圖14為制備得到的多孔炭黑材料的掃描電鏡圖?？梢钥闯鎏亢诓牧暇哂幸欢ǖ亩嗫捉Y(jié)構(gòu)。
[0048]圖15是多孔炭黑材料在6MK0H溶液中的循環(huán)伏安測試曲線。其比容量在SmVs—1的掃速下可以達(dá)到KMFg'表明其具有良好的超級電容器性能。
[0049]實施例3
[0050] 把洗干凈的纖維素浸入到碳納米管的分散液中，待碳納米管在纖維素上吸附飽和，取出，烘干，再次浸入，取出，烘干，如此多次反復(fù)，最終得到飽和了碳納米管的纖維素基體。將纖維素基體放入管式爐中在氬氣氣氛條件下700°C煅燒3h得到多孔碳納米管材料。
[0051]圖16為制備得到的多孔碳納米管材料的掃描電鏡圖。可以看出碳納米管材料具有一定的多孔結(jié)構(gòu)。
[0052]圖17是多孔炭黑材料在6MK0H溶液中的循環(huán)伏安測試曲線。其比容量在SmVs—1的掃速下可以達(dá)到MeFg'表明其具有良好的超級電容器性能。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、將多孔聚合物浸入到碳材料的分散液中，待碳材料在多孔聚合物上吸附飽和，取出，烘干，如此多次反復(fù)，直至得到飽和了碳材料的多孔聚合物基體； 步驟二、將步驟一所得的多孔聚合物基體在惰性氣氛下高溫煅燒，即得到多孔碳材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:所述的多孔聚合物為:聚氨酯，聚乙烯，纖維素等所有可以在高溫下分解的聚合物。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:所述的碳材料為:石墨烯，碳納米管，炭黑，石墨，碳纖維，碳納米帶。
4.如權(quán)利要求1所述的一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于:步驟二所述高溫為.400 ~1500。C。
【文檔編號】C01B31/02GK103950917SQ201410190621
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】嚴(yán)乙銘, 楊志宇, 金林劍, 陸國乾 申請人:北京理工大學(xué)