[發(fā)明專利]高比表面積多級孔石墨化碳及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210455913.3
• 申請日: 2012-11-14
• 公開（公告）號: CN102992306A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈培康;李運勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 江裕強(qiáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高比表面積多級孔石墨化碳及其制備方法。

背景技術(shù)

???近年來，隨著能源、分離技術(shù)、電催化技術(shù)的快速發(fā)展，碳材料作為其應(yīng)用的一種主體材料，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已被廣泛關(guān)注。碳材料，根據(jù)其結(jié)晶性來分，一般分為無定形碳和石墨化碳。無定形碳是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)無序排布的碳，而石墨化碳是指具體有一定石墨結(jié)晶度的碳。相比無定形碳，石墨化結(jié)構(gòu)碳其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性提高，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好。因此，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)境、水處理和電化學(xué)等領(lǐng)域。但是，由于石墨化碳內(nèi)部結(jié)構(gòu)排布有序，形成層狀疊加結(jié)構(gòu)，因此，采用普通方法所合成的石墨化碳材料的比表面積相對較小（<?100?m²/g?）。因此，在應(yīng)用于吸附劑、催化劑載體、電極材料以及能源儲存介質(zhì)有一定的限制。所以，發(fā)展一種高比表面積的多孔石墨化碳材料，顯得十分重要。

????通常，合成多孔石墨化碳材料的方法主要有以下四種：（1）化學(xué)活化法、物理活化法、化學(xué)和物理活化聯(lián)合法；（2）以金屬鹽或金屬有機(jī)化合物為碳前驅(qū)體催化活化；（3）碳化聚合物或高溫裂解聚合物；（4）碳化超臨界干燥的聚合物凝膠。Wang等[J.?Mater.?Chem.,?2007,?17,?2251]以有機(jī)金屬鹽（羰基鐵）為石墨化催化劑，乙醇為碳源，合成了較高比表面積的石墨化碳，應(yīng)用于燃料電池中改進(jìn)了燃料電池的催化效率和穩(wěn)定性。Ma等[Chem.?Mater.,?2001,?13,?4413]采用USY型沸石為模板合成了多孔的石墨化碳材料，應(yīng)用于超級電容器中，改善了超級電容器的充放電速率和穩(wěn)定性。雖然上述方法所合成的多孔石墨化碳材料對改進(jìn)能源材料的性能有一定的提高，但仍達(dá)不到實際應(yīng)用所需高穩(wěn)定性、高效率的能源指標(biāo)。這主要是因為上述傳統(tǒng)方法所合成的多孔石墨化碳材料的孔結(jié)構(gòu)無序，比表面積通常也不高（<?800?m²/g?）。因此，這些碳材料在應(yīng)用于大電流、高容量、長壽命的電儲能裝置中達(dá)到電動汽車以及航天應(yīng)用的要求，上述性能的石墨化碳材料略顯不足。雖然，多篇文獻(xiàn)[J.?Phys.?Chem.?Solids,?2008,?69,?2420;?Solid?State?Ionics,?2008,179,?269;?J.?Power?Sources,?2010,?912]報道了采用化學(xué)活化的方法形成了超高比表面積、孔徑分布合理的碳材料，但是，這些碳材料都是無定形形態(tài)，電導(dǎo)率很低，在電化學(xué)能源體系中應(yīng)用受到限制。這些無定形材料在低電流工作條件下，能持續(xù)相對長工作時間，但是，在大電流條件下工作，時間很短。這主要是由于化學(xué)活化所形成的碳石墨化程度很低、孔結(jié)構(gòu)分布不合理，造成化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、離子不易擴(kuò)散，電導(dǎo)很低，因而容量衰減很快。

由此可見，一種碳材料既要達(dá)到高倍率充放電要求又具有高容量和長期穩(wěn)定性，必須具備如下特點：（1）合理的孔徑分布（適當(dāng)?shù)拇罂住⒔榭缀鸵欢康奈⒖祝┖驼w結(jié)構(gòu)；（2）高比表面積；（3）石墨化。當(dāng)前，合成上述材料，主要以模板法為主。該方法以模板為主體材料去控制材料的孔徑分布結(jié)構(gòu)和外觀形貌。Liu等[Angew.?Chem.?Int.?Ed.?2002,?41,?3876]以P123三嵌段共聚物((EO)₂₀?(PO)₇₀?(EO)₂₀)合成了高度有序的介孔碳。該方法能夠通過模板合理地控制孔徑分布和孔結(jié)構(gòu)的有序性，以及比表面和外觀結(jié)構(gòu)。但是，在合成上述結(jié)構(gòu)的碳材料前，需制備特殊結(jié)構(gòu)的模板，然而形成一種特殊結(jié)構(gòu)的模板，其過程極其復(fù)雜，合成成本也高，因而不易于實際生產(chǎn)中應(yīng)用。Wang等[Angew.?Chem.?Int.?Ed.,?2008,?120,?379]以Ni(OH)₂為模版合成了高度有序的多孔石墨化碳材料，應(yīng)用于超級電容器中表現(xiàn)出了高倍率、高穩(wěn)定性的電化學(xué)性能。該方法制備簡單，所制備的多孔石墨化碳材料結(jié)構(gòu)有序，化學(xué)性能穩(wěn)定，但是所制備的多孔石墨化碳材料比表面積不高（<?1000?m²/g），因而應(yīng)用于超級電容器表現(xiàn)出限制的比容量。鑒于此，本發(fā)明專利克服了以上不足，開發(fā)出一種新穎的離子交換/活化聯(lián)合法，一步形成具有高比表面積?（>?1800?m²/g）的多級孔石墨化碳。

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發(fā)明內(nèi)容

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