[發明專利]一種HEDTA基多孔碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201811117728.7
• 申請日: 2018-09-26
• 公開（公告）號: CN109133051A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 孫立賢;李晶華;徐芬;陳沛榮;朱宇;陸磊磊
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01G11/24;H01G11/44;H01M4/587;H01M4/62
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 羅玉榮

本發明公開了一種HEDTA基多孔碳材料，由N?(2?羥乙基)乙二胺?N,N',N'?三乙酸（HEDTA）和和堿性無機物，經一步煅燒法，在煅燒過程同時進行活化制備而成，其比表面積范圍在1209?2289 m²g^?1。其制備方法包括：將HEDTA和堿性無機物按一定質量比研磨至充分混合，然后將所得的混合物在一定條件下煅燒反應，最后將煅燒后得到的產物經過洗滌、過濾，干燥即可得到HEDTA基多孔碳材料。作為超級電容器電極材料的應用，當電流密度為0.5 A g^?1時，比電容值范圍在265?330F g^?1。本發明運用一步熱解法得到多孔碳材料，合成工藝簡單，成本低，能夠在短時間內得到性能優異的樣品，在超級電容器電極材料的應用上具有很大的潛在前景。

技術領域

本發明涉及多孔材料技術領域，具體涉及一種HEDTA基多孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

超級電容器是一種介于傳統電容器和充電電池之間新型的儲能裝置,由于具有功率密度高、循環壽命長、充放電速率高等優點,一直是人們研究開發的熱點。電極材料是決定超級電容器性能的最主要的部分,其中多孔活性碳材料由于具有穩定性高、壽命長、原料來源豐富、導電性能好等優點,已成為最具有商業競爭力的電極材料碳材料。

目前常用的多孔碳材料的合成方法主要有硬模板法、軟模板法和活化法。

例如，中國專利[CN106587057A]，提供一種氮摻雜多孔結構碳材料,首先將含氮聚合物與路易斯酸按一定比例溶于酸性溶液中,攪拌1-8小時,然后蒸干,在惰性氣氛保護下,400-1000℃下活化1-24小時,自然冷卻后,在酸性溶液中洗滌,然后用去離子水洗滌PH至中性,干燥即得到氮摻雜多孔碳材料；其比表面積范圍在1040m²g^-1，當電流密度為0.5 A g^-1時,比電容值范圍在257F g^-1。

此發明制備工藝繁瑣，比電容值也不高，而且需要分別提供碳源和氮源導致成本提高。因此需要尋找一種既能充當碳源又可以作為氮源的新型多孔碳材料來作為超級電容器的電極材料。

這些方法可能的優勢在于，通過繁瑣但精細的步驟，不計成本的優化原料和配比，期以獲得較佳的電化學性能。顯然，這些方法均存在同樣的兩個技術問題：

1，需要先通過煅燒，制備活性碳材料，然后還需要通過堿性化合物，在高溫下進行活化；

2，如果需要進行氮摻雜，則需要在煅燒之前，增加氮源和含氮化合物混合混合、反應的步驟，或者需要在煅燒和活化操作之間，添加活性碳材料和含氮化合物混合、反應的步驟。

操作步驟較多、制備工藝復雜，直接導致了產物純度較低，一致性較差的技術問題。

第2個技術問題，分別引入碳源和氮源導致工藝步驟復雜的問題，目前常見的解決方案集中在含氮的生物質材料方面。

例如，中國專利[CN104810164A]，提供了一種基于生物蛋白基摻氮多孔炭材料超級電容器的制備方法，因為生物蛋白既可以作為碳源本身又含有氮源，節省了原料。

此類基于生物質的方法同樣存在原料一致性較差，不利于標準化和大規模的生產；同樣，此類方法雖然削減了碳源和氮源的混合、反應步驟，但仍然需要分為先碳化，再活化的兩步法來制備。

解決原料一致性問題的可選方案是選用具有適當碳氮比和結構的化合物作為原料。該方案的思想看似簡單，但是，實際操作中，尚無成熟的理論支持，此外，受不同的合成流程的影響，同一原料最終獲得的效果也存在不規律的大幅變化。也就是說，原料的選擇需要與合成方法匹配才能獲得較佳的電化學性能。

而第1個技術問題，早期的研究工作嘗試削減活化步驟或將煅燒和活化步驟同時進行。削減活化步驟直接降低了產物的性能，已被淘汰。現在本領域相關研究者開始嘗試將煅燒和活化步驟同時進行。