[發明專利]一種摻雜多級孔碳材料及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 202010941815.5
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112062125A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 張瑞龍;張猛;馬紅恩;朱哲譽;于真
• 申請（專利權）人: 艾思爾信息科技（上海）有限公司
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/348;C01B32/342
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明提供了一種摻雜多級孔碳材料及其制備方法和用途。所述方法包括以下步驟：(1)將活化劑與碳源混合，在保護性氣體下進行活化，得到活化材料；所述碳源為木材廢棄物；(2)對步驟(1)所述活化材料進行酸浸，得到多級孔碳材料；(3)對步驟(2)所述多級孔碳材料進行摻雜，在保護性氣體下進行碳化氧化，得到所述摻雜多級孔碳材料。本發明提供的制備方法充分利用廢棄的邊角料，通過高溫活化、摻雜碳化等一系列過程制備具有多級孔道結構的木材廢棄物基摻雜多級孔碳材料，并可以用于超級電容器的電極材料和鋰電池的隔膜改性。

技術領域

本發明屬于電化學功能材料制備技術領域，涉及一種摻雜多級孔碳材料及其制備方法和用途。

背景技術

多孔碳，是由不規則排布的微晶構成具有大量孔隙結構的無定形碳，通常穩定的物理化學性質，較高的比表面積，是最早開始于工業生產和應用的電容器電極材料。多級孔碳材料是同時含有微孔(小于2.0nm)、介孔(2.0～50nm)、大孔(大于50nm)的碳材料。碳基雙層電容器性能的優劣，主要由電極材料和電解液來衡量。多級孔碳是組成電容器電極材料的重要選擇。目前已有大量研究通過改善多級孔碳材料的質量進行改善其電容器的性能。文獻資料報道【Simon P,Gogotsi Y.Materials for electrochemical capacitors[J].Nat.Mater.2008, 7,845-854.】：電極材料的離子可接觸比表面積A與雙電層電容器比電容成正比：

式中：ε_r為電解液介電常數，ε_o為真空介電常數，d為電解液離子和碳材料表面的距離。當然，多級孔碳材料的孔隙結構也直接影響了電解液離子在電極材料中傳輸速度，一般認為大孔儲存電解液，介孔傳輸電解液離子，微孔形成雙電層電容。同時，也有一些報道通過摻雜發型碳材料的元素組成，來提高超級電容器的性能，甚至有將過渡金屬氧化物等對碳材料進行改性。另外多級孔碳材料也逐漸用于鋰電池的隔膜改性以增強鋰電池的循環、倍率等性能。

我國地大物博、物資豐富，對于木材的使用已有數千年的歷史，在木材的使用過程中會伴隨著邊角料的產生，例如樹皮、樹枝、樹葉、樹根、木屑、廢棄木材等，這些邊角料通常會被粉碎用于制作壓縮板，甚至被丟棄，這將嚴重造成資源浪費。

CN108069410A公開了一種一種天然木材多孔碳材料及其制備方法，它是將切割成片狀的天然木材在空氣中加熱預處理后，再在強堿水溶液中浸泡并烘干，然后于保護氣下高溫熱解制得的；所述強堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、氫氧化鈣和氫氧化鋇中的一種。

CN108315028A公開了一種具有縱向孔結構的熱解硬碳材料及其制備方法和應用，其制備方法包括：將一種或多種木材的木質部進行粉碎混合，得到粗粉；所述木材包括楊木、棗木、柳木、松木或梧桐木中的一種或多種；在300℃ -600℃的惰性氣氛中保溫1-5小時，對所述粗粉進行預碳化處理，得到預碳化材料；以0.5℃/min-10℃/min的升溫速率升溫至800℃-1600℃，在惰性氣氛中對所述預碳化材料熱處理1-10小時，使所述預碳化材料發生碳化、裂解反應；冷卻后，得到所述具有縱向孔結構的熱解硬碳材料。

CN108609605A公開了鋰離子二次電池負極碳材料及其制備方法、鋰離子二次電池負極材料和鋰離子二次電池。其制備方法包括：S1、將密度ρ≥1.1g/ml 的樹木木材進行炭化，保留樹木木材的木質素，制得木炭；S2、將木炭粉碎成木炭粉，并干燥去除水份；S3、將干燥后的木炭粉進行前處理，去除揮發粉和雜質；S4、將前處理后的木炭粉進行表面改質處理，減少木炭粉表面的氣孔； S5、將改質處理后的木炭粉進行真空熱處理，即可。

但是上述方法在產品的比表面積、孔道結構以及電化學性能上均有待進一步提高。

發明內容