[發(fā)明專利]一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN112960664A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧錫洪;石鑫;張昊喆;劉曉慶
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/44
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳嘉毅

本發(fā)明公開了一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料及其制備方法和應(yīng)用，其制備方法通過調(diào)控煤瀝青、納米金屬氧化物和堿金屬氫氧化物的配比，以及碳化溫度和時間，所制得的碳材料在保留籠狀納米結(jié)構(gòu)的同時增大了比表面積，可以用于制備超級電容器，作為其正極材料，可提高界面的離子轉(zhuǎn)移速率，從而提高了倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的制備方法能耗低，原料簡便易取，操作簡單，易于實現(xiàn)，不僅為目前煤瀝青的循環(huán)再利用提供了很好出口，也可為鋅離子混合超級電容器提供很好的正極材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳材料在我們的日常生活中無處不在。目前，碳材料被廣泛用作吸附劑、載體，甚至無金屬催化劑，以應(yīng)對緊迫的全球挑戰(zhàn)，包括但不限于能源和環(huán)境問題。碳在自然界中含量豐富，成本較低，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較高。它具有可調(diào)的表面積和原子/納米尺度上的多種結(jié)構(gòu)形式，并且定義了異常廣泛的物理化學(xué)性質(zhì)，以滿足不同的應(yīng)用。碳的多孔狀態(tài)無疑深刻地影響著它們的性質(zhì)和功能。在碳上設(shè)置不同大小和形狀的孔可以降低其表觀密度，擴大其表面積，加速界面能和傳質(zhì)，這是許多與表面相關(guān)的物理和化學(xué)過程中至關(guān)重要和決定性的一步。碳在微孔、中孔和大孔的層次結(jié)構(gòu)概念在多孔碳群落中得到了很好的發(fā)展，因為它平衡了活性位點的高密度和低擴散阻力。大孔作為高速輸運通道，而微孔和中孔提供了一個大的比表面積，承載著非均相反應(yīng)的活性位點。因此，多孔碳材料的合理設(shè)計、構(gòu)筑和開發(fā)是一項具有重大社會和經(jīng)濟意義的課題，尤其對能源相對短缺的及環(huán)境污染較嚴重的中國來說，更具有重要的現(xiàn)實意義。

煤瀝青，作為煤焦油蒸餾提取各餾分后的殘留物，是焦油加工中的大宗產(chǎn)品。以煤瀝青作為原料制備碳材料有以下優(yōu)勢：首先，煤瀝青中碳元素含量高，碳化后所得碳材料收率高，且易于形成石墨結(jié)構(gòu)；其次煤瀝青產(chǎn)量巨大、來源豐富、價格低廉，有利于實現(xiàn)儲能碳材料的規(guī)模化制備。綜上所述,煤瀝青作為一種廉價富碳的復(fù)雜混合物,根據(jù)其獨特的物理性質(zhì)和化學(xué)組成,將其轉(zhuǎn)化為具有高附加值的電化學(xué)儲能材料,一方面可以降低儲能材料的制備成本,另一方面可以提升煤瀝青的附加值,對延長傳統(tǒng)煤化工的產(chǎn)業(yè)鏈,實現(xiàn)資源的綜合可持續(xù)利用具有重大意義。然而，目前對煤瀝青的有效利用較少且基于煤瀝青衍生的碳材料在制備過程上仍存在一些問題。例如，產(chǎn)品制備周期長、成本高、工藝復(fù)雜以及對儀器設(shè)備要求高等問題。因此，通過設(shè)計低成本、短周期等簡易工藝流程來制備高性能的煤瀝青衍生碳材料是本領(lǐng)域技術(shù)人員的研究重點。中國專利CN106430144A公開了一種基于片狀氧化鎂模板制備瀝青基多級孔碳片的方法，其中利用片狀氧化鎂和堿金屬氫氧化物溶液混合，干燥后，經(jīng)過兩次高溫碳化，得到多級孔碳，但是該方法步驟繁瑣，需要兩次碳化，能耗高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有碳材料制備方法繁瑣，需要兩次碳化，能耗高的缺陷和不足，提供一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料的制備方法，直接將煤瀝青、納米金屬氧化物和堿金屬氫氧化物按照一定配比混合，無需經(jīng)過干燥，通過調(diào)控碳化時間和溫度，獲得具有籠狀納米結(jié)構(gòu)、更大比表面積的納米材料，制備方法簡便易操作，且僅通過一步碳化，能耗低，所制得碳材料在保留籠狀納米結(jié)構(gòu)的同時，增大了比表面積。

本發(fā)明的又一目的是提供一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料。

本發(fā)明的另一目的是提供一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料的應(yīng)用。

本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種納米籠狀煤瀝青衍生碳材料的制備方法，包括如下步驟：

以煤瀝青為碳源，納米金屬氧化物為模板，堿金屬氫氧化物為刻蝕劑，其中煤瀝青、納米金屬氧化物和堿金屬氫氧化物的用量比為0.5～3g：0.05～0.2mol：0.035～0.1mol；將煤瀝青、納米金屬氧化物和堿金屬氫氧化物混合均勻后球磨1～5小時后，球磨轉(zhuǎn)速是800～1200rpm；將所得混合物在惰性氣氛下進行高溫碳化，所述碳化的溫度為600～1000℃，所述碳化的時間為0.5～4h，得到納米籠狀煤瀝青衍生碳材料。