[發(fā)明專利]一種碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310686707.8
• 申請(qǐng)日: 2013-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104176721A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 傅強(qiáng);劉杰;王安苗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇捷峰高科能源材料股份有限公司
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02;B01J20/20;B82Y30/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 邱興天

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

具有高比表面積的活性炭材料在環(huán)保、制藥、電子、催化、儲(chǔ)能方面具有廣泛的應(yīng)用。高比表面積炭材料一般由石墨化的微晶和非石墨化的非晶碳質(zhì)構(gòu)成。非晶碳質(zhì)和石墨化微晶相互連接構(gòu)成活性炭的空隙結(jié)構(gòu)。目前的活性炭材料的制備主要通過(guò)對(duì)含碳元素前驅(qū)體碳化后和活化試劑反應(yīng)獲得高比表面積。所形成的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致無(wú)定形炭結(jié)構(gòu)上的缺陷，導(dǎo)致導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的下降。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種碳復(fù)合材料，通過(guò)結(jié)合碳納米材料和無(wú)定型炭材料的性能，形成同時(shí)具有高比表面積和高導(dǎo)電性的碳材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種制備碳復(fù)合材料的方法。本發(fā)明還有一目的是提供上述碳復(fù)合材料的應(yīng)用。

技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種碳復(fù)合材料，由占碳復(fù)合材料總重0.1~35%的碳納米材料和占碳復(fù)合材料總重99.9~65%的高表面積無(wú)定形炭組成；所述的碳納米材料為碳納米管、碳纖維、石墨薄片、氧化石墨烯和石墨烯中的一種或幾種的混合物；所述的復(fù)合材料比表面積不低于800m²/g，孔容不低于0.3cm³/g，電導(dǎo)率不低于4S/cm，復(fù)合材料的孔隙大小為0.5~10納米。

在所述的碳納米材料中，所述碳納米管包括單壁碳納米管和多壁碳納米管；多壁碳納米管的管壁層數(shù)為2-100層；單根納米管的長(zhǎng)度不低于500納米。

在所述的碳納米材料中，石墨烯或石墨薄片的面積為1~400平方微米，石墨烯的層數(shù)為1~10層。

所述碳纖維的直徑為40-500納米，長(zhǎng)度不小于1微米。

一種制備所述的碳復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

1）將無(wú)定形炭前體材料分散到水中，加入碳納米材料，混合均勻，控溫90~300℃，反應(yīng)0.5~48小時(shí)；冷卻到室溫，收集產(chǎn)物；

2）將產(chǎn)物和活化試劑混合均勻，轉(zhuǎn)移至高溫爐中，在惰性氣體保護(hù)下，在600~900℃下處理0.5~48小時(shí)；冷卻到室溫，將產(chǎn)物用去離子水沖洗，烘干；所述活化試劑包括磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鋅和氯化鈣；所述惰性氣體包括氬氣、氮?dú)夂秃猓换罨瘎┖彤a(chǎn)物的重量比為10：1~1：10；

或，

將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至高溫爐中，通入混合氣體，在600~900℃處理0.5-48小時(shí)后冷卻到室溫；所述的混合氣體選自氮?dú)狻鍤狻⒑狻⒄伎傮w積0.01~99.99%的水蒸氣、占總體積0.01~99.99%的二氧化碳中的一種或幾種。

所述無(wú)定形炭前體選自聚乙烯、聚丙乙烯、聚碳酸酯、苯酚、甲醛、葡萄糖、蔗糖、果糖、纖維素、木質(zhì)素、酚醛樹(shù)脂和聚乙烯醇。

所述的碳復(fù)合材料在水處理當(dāng)中的應(yīng)用。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，原料易得，成本低廉，制備條件溫和，并便于工業(yè)化放大生產(chǎn)。材料同時(shí)具有碳納米材料和無(wú)定形炭材料的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了碳納米材料和無(wú)定形炭材料在功能上的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)具有高表面積和高導(dǎo)電性，克服了目前碳材料在應(yīng)用中難以同時(shí)具備高比表面積和高導(dǎo)電性的缺陷，可以作為超級(jí)電容、鋰離子電容器、燃料電池、和鉛碳電池電極的優(yōu)良電極和導(dǎo)電材料，提供優(yōu)越的容量和倍率性能。復(fù)合材料也可以作為水處理設(shè)備中的電極材料，利用其高比表面積和高導(dǎo)電性對(duì)水中的雜質(zhì)進(jìn)行凈化。具有很好的實(shí)用性，能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)。

附圖說(shuō)明

圖1?是碳復(fù)合材料的制備過(guò)程圖；

圖2是碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是碳復(fù)合材料的掃描電鏡顯微圖；

圖4?是碳復(fù)合材料和常規(guī)材料超級(jí)電容電極的比較結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例1

碳復(fù)合材料的制備，如圖1所示，稱取4克聚乙烯粉末，分散到30毫升水中。加入0.34克碳納米管，攪拌均勻；將混合物在120℃下，加熱2小時(shí)，冷卻到室溫，收集產(chǎn)物。將產(chǎn)物和氫氧化鈉按重量比1:?2混合均勻，轉(zhuǎn)移至高溫爐中，在惰性氣體（氬氣、氮?dú)夂秃馊我獗龋┍Ｗo(hù)下，加熱至600℃，反應(yīng)2小時(shí)；冷卻到室溫，將產(chǎn)物用去離子水沖洗，烘干12小時(shí)，備用。