[發(fā)明專利]一種以空心介孔硅球為模板制備分級多孔碳的方法

無效

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• 申請日: 2011-06-21
• 公開（公告）號: CN102295281A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程起林;夏玉明;李春忠
• 申請（專利權(quán)）人: 華東理工大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 胡紅芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域的一種分級多孔碳的制備方法。

背景技術(shù)

隨著石油能源短缺問題的日益突出和人們環(huán)保意識的逐漸增強，發(fā)展新型環(huán)保、高效的電能受到了廣泛的重視。超級電容器作為新一代的儲能裝置，由于其具有比普通電容器的比能量更高，比二次電池的比功率更高、循環(huán)壽命更長、更耐溫而且免維修等優(yōu)點，受到了越來越多的關(guān)注。電極材料是影響超級電容器性能的重要因素。超級電容器的電極材料主要有：高比表面積的碳材料、過渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物，其中碳材料由于價格低廉、電化學穩(wěn)定性好、比表面積大和孔容量等優(yōu)點已成為超級電容器的首選電極材料。常用的碳材料如：碳納米管、活性碳、碳凝膠等，它們由于各自的一些缺點導(dǎo)致電化學性能沒有達到預(yù)期的要求。因此設(shè)計一種簡單的方法制備分級多孔碳已成為了一個新的挑戰(zhàn)。

對于分級多孔碳來說，大孔、介孔、微孔共存的分級孔結(jié)構(gòu)有利于電解液離子的傳輸，提高電極材料的利用率，使其具有良好的電化學性能。但傳統(tǒng)的制備分級多孔碳的方法具有一些缺點，如：制備過程冗繁，制備工藝復(fù)雜等導(dǎo)致其產(chǎn)量小，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，極大地制約了其在實際中的應(yīng)用。因此要充分實現(xiàn)分級多孔碳在超級電容器中的應(yīng)用就是要在能制備出具有大孔、介孔、微孔分級孔結(jié)構(gòu)的前提下，盡量縮短實驗步驟和選用常用的試劑。解決制備工藝復(fù)雜性是實現(xiàn)分級多孔碳在超級電容器實際應(yīng)用中的首要問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是提出一種制備分級多孔碳的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷。

本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的：

分級多孔碳的制備方法通常是用二氧化硅球等作為硬模板，加入合適的碳源，反向復(fù)制得到，但是在制備過程中通常需要加入三嵌段共聚物(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯)或者十八烷基三甲氧基硅烷等較昂貴的化學試劑，并且制備過程步驟繁多，而且對環(huán)境有害，因而目前這些方法大都還局限在實驗室研發(fā)階段，還不適合于規(guī)模化生產(chǎn)。為了解決上述問題，通過澆鑄的方法直接制備分級多孔碳，一方面解決了制備過程的復(fù)雜性，另一方面也降低了制造的成本。

一種以空心介孔硅球為模板制備分級多孔碳的方法，包括如下步驟：

（1）首先，將0.1～0.2g十六烷基三甲基溴化銨加入到60～100ml水和乙醇的混合溶劑中（乙醇和水的體積比為0.44-0.59），攪拌均勻后將0.5-2ml正硅酸乙酯和0.5-2ml氨水相繼加入其中，并繼續(xù)攪拌6～10小時后得到空心介孔硅球；

（2）利用納米澆鑄的方法將酚醛樹脂的乙醇溶液浸漬到所述空心介孔硅球的介孔孔道中形成空心介孔硅球/酚醛樹脂的復(fù)合物；其中，酚醛樹脂作為碳源；

（3）將所述空心介孔硅球/酚醛樹脂的復(fù)合物放在80～160℃的烘箱中初步固化形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后置于管式爐中在氮氣保護于600～950℃煅燒2-5小時得到空心介孔硅球/碳的復(fù)合物；

在管式爐中，隨著溫度的升高，酚醛樹脂中氫、氧等小分子被分解出來，并隨著氮氣流出，最后剩下空心介孔硅球/碳的復(fù)合物；

（4）最后用質(zhì)量濃度為2～10%的氫氟酸脫除所述空心介孔硅球/碳的復(fù)合物中的空心介孔硅球后得到分散均勻的分級多孔碳。

所述空心介孔硅球具有空心核和介孔壁，所述空心核的孔徑是300～800nm，所述介孔壁的壁厚是25～60nm。

步驟（2）中所述空心介孔硅球與所述酚醛樹脂的乙醇溶液的質(zhì)量比為1：0.5～6。

所述酚醛樹脂是分子量為200～1000的低階酚醛樹脂，其維度尺寸為0.5～2nm。

所述酚醛樹脂的乙醇溶液的質(zhì)量百分濃度是5～40wt%。

所述分級多孔碳的孔徑為300～800nm，壁厚為25～60nm。

所述分級多孔碳是由大孔、介孔、微孔構(gòu)成的分級結(jié)構(gòu)，比表面積是600～1100m²/g，而且其比表面積是由微孔和介孔決定的，微孔的比例占0.3～0.5，介孔占0.3～0.6。

所述的分級多孔碳可作為超級電容器的電極材料，在1M硫酸電解液中具有較高的比電容、比能量密度、功率密度和電化學穩(wěn)定性。