[發(fā)明專利]一種高比表面積層次孔炭材料及其制備方法和應(yīng)用

無效

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• 申請日: 2011-09-29
• 公開（公告）號: CN102509629A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳丁財;鐘輝;梁業(yè)如;符若文
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;C01B31/12
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用活化技術(shù)制備的高比表面積層次孔炭材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

作為一類新穎的納米炭材料，層次孔炭材料以兼具微孔、中孔和大孔三元孔徑合理分布的獨特空間結(jié)構(gòu)特點，已在材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。目前層次孔炭材料的合成通常采用模板法或者模板-活化聯(lián)合法，這嚴(yán)重地限制了它的工業(yè)應(yīng)用前景。主要原因在于：(1)軟模板劑(例如PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物)價格昂貴；(2)用作硬模板劑的納米二氧化硅或者其它材料通常需預(yù)先制備且工藝繁瑣，成本高。

最近，中國專利CN?101698477B(申請?zhí)?00910193797.0)通過在苯乙烯系聚合物間構(gòu)筑羰基交聯(lián)橋，實現(xiàn)了層次孔炭材料的免模板法制備。這種具有獨特納米結(jié)構(gòu)的新型層次孔炭材料由基元炭顆粒構(gòu)成，基元炭膠體顆粒內(nèi)部含有三維網(wǎng)絡(luò)微孔(＜2nm)，基元炭膠體顆粒相互堆疊形成三維網(wǎng)絡(luò)中孔(2～50nm)和大孔(＞50nm)，各層次納米孔道緊密相連。研究表明，通過中/大孔通道相互連通的微孔網(wǎng)絡(luò)，非常有利于電解質(zhì)離子的進入，從而具有快速的離子轉(zhuǎn)移能力和高效的電化學(xué)活性表面，因此，這些層次孔炭材料的儲電性能，尤其是其功率特性，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電極材料(例如有序中孔炭、活性炭及炭氣凝膠等)，在超級電容器等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用前景。然而，該材料存在亟待解決的結(jié)構(gòu)缺陷：炭骨架孔隙率低，缺乏足夠的電化學(xué)儲能活性位點。聚苯乙烯基層次孔炭材料炭骨架上僅含有少量來源于三維網(wǎng)絡(luò)型微孔結(jié)構(gòu)中的微孔，比表面積僅為500～800m²/g，炭骨架所占空間很難被利用來儲存電荷，不利于能量密度的提高。因此，采用簡單、有效的工藝方法，在保持中/大孔網(wǎng)絡(luò)炭骨架完好的前提下，增多炭骨架上孔洞的數(shù)量，進而提高聚苯乙烯基層次孔炭的比表面積以增加電化學(xué)儲能活性位，最終獲得高能量/高功率密度儲能納米炭材料，具有重要的科學(xué)研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高比表面積層次孔炭材料的制備方法。該方法以廉價易得的聚苯乙烯為原料，制備工藝簡單易行。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述方法制備得到的高比表面積層次孔炭材料。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述高比表面積層次孔炭材料的應(yīng)用。該高比表面積聚苯乙烯基層次孔炭材料可用于制備高能量密度/高功率密度電化學(xué)電容器的電極材料。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種高比表面積聚苯乙烯基層次孔炭材料的制備方法，包括以下操作步驟：

(1)將線性聚苯乙烯加入無水四氯化碳中，攪拌至線性聚苯乙烯完全溶解，得到聚苯乙烯四氯化碳溶液；

(2)將無水三氯化鋁置于反應(yīng)容器中，加入無水四氯化碳，回流溶解后，加入步驟(1)所得聚苯乙烯四氯化碳溶液，攪拌條件下加熱回流進行Friedel-Crafts反應(yīng)；

(3)加入乙醇/水混合溶劑終止Friedel-Crafts反應(yīng)，過濾得到固體產(chǎn)物，經(jīng)洗滌、過濾和干燥后，得到層次孔聚苯乙烯材料；

(4)將步驟(3)所得層次孔聚苯乙烯材料置于炭化爐中，在惰性氣體氣氛下加熱炭化，得到聚苯乙烯基層次孔炭材料；

(5)將聚苯乙烯基層次孔炭材料與KOH在水/乙醇溶液中充分混合，將混合物干燥；

(6)將步驟(5)所得的混合物置于活化爐中，在惰性氣體氣氛下加熱進行高溫活化，活化產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過濾和干燥后，得到高比表面積聚苯乙烯基層次孔炭材料。

所述步驟(1)至步驟(3)中線性聚苯乙烯∶無水三氯化鋁∶無水四氯化碳∶乙醇/水混合溶劑的用量配比為0.2～10g∶3～24g∶100～400ml∶100～200ml，其中步驟(1)中無水四氯化碳的用量為6～300ml。

所述步驟(5)中聚苯乙烯基層次孔炭材料：KOH的用量配比為1g∶0.5～8g。

所述活化條件為以2～5℃/min的升溫速率升溫至500～900℃，炭化2～6h。

為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述步驟(2)中回流裝置帶有裝載無水氯化鈣的干燥管；所述回流溶解是在30～75℃回流溶解20～80min；所述Friedel-Crafts反應(yīng)的條件為在30～75℃下反應(yīng)2～72h。