CN104291312A - 基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法。该方法过程包括将海盐水溶解过滤，加入水溶性碳源，得到混合溶液；对混合溶液经过烘干或冻干处理得到混合物前驱体粉末；将前驱体粉末在保护气氛下加热，使碳源碳化，随后抽滤水洗去除海盐，得到具有分级多孔结构的碳材料。本发明的优点在于工艺简单，原料廉价环保，所制备的碳材料具有大孔-介孔-微孔的分级结构，比表面积大，适用于超级电容器电极和锂离子电池负极材料等。

Description

基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法

技术领域

本发明涉及一种基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法，属于先进碳材料制备技术。

背景技术

分级多孔碳，指具有大孔-介孔-微孔多级组合结构的碳材料，其特点包括：结构中的大孔分布有利于物质的传输，使得电解液更加容易浸入，并能作为电化学活性离子的反应池；介孔可以提供大的电极-电解质接触面积，从这个意义上来讲，有利于提高电容器和电池电极材料的倍率性能；微孔结构可以极大提升比表面积，提供反应活性位点。分级多孔碳材料的众多优势使其被广泛应用于储能、催化等领域。

模板法是制备分级多孔碳材料最常用的方法之一。传统的模板法使用硅，氧化硅或阳极氧化铝等材料作为模板，将碳源前驱体浸入到模板的空隙中，经过一定处理使碳源碳化，随后去除模板，得到多孔结构。但是，传统模板法存在诸多缺陷，如：模板需要提前制备，工艺复杂，成本较高；在模板的去除过程需要使用氢氟酸、盐酸等具有腐蚀性或毒性的试剂，不利于环境保护和大规模生产。最近有报道使用氯化钠为模板，柠檬酸为碳源，制备三维网络状石墨烯结构。该方法工艺简单，模板易得。然而，其制备的三维网络结构只有大孔结构，缺乏介孔和微孔组成，比表面积较低，而且制备工艺中需要使用氯化亚锡等金属盐作为催化剂，具有一定毒副作用。

综上所述，开发新型环保模板，制备具有微观三维分级多孔结构的碳材料具有极高的理论和实用价值。关于基于海盐模板制备分级多孔碳的方法，目前尚未见到相关报道。

发明内容

本发明旨在提供一种基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法。该方法过程简单，原料丰富，所制得的碳材料具有微观三维分级多孔结构和优良的电化学性能。 

本发明是通过下述技术方案加以实现的一种基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法，其特征在于包括以下过程：

1）将海盐配制成质量分数为15~30 %的水溶液，将所得溶液进行过滤处理，以滤去泥沙，得到澄清盐溶液；

2）将可溶性碳源无水葡萄糖、蔗糖或柠檬酸加入到步骤1）中的盐溶液中，配成碳源的浓℃度达为10~50 g·L^-1的混合溶液，将混合溶液搅拌；随后进行在60~100干燥或-50℃真空冷冻干燥，得到前驱体粉末；

3）将前驱体粉末置于刚玉管式炉中，在流量为100~300 mL·min^-1的氩气或氮气保护下，以5~10℃·min^-1的升温速率加热到600℃~750℃，保温1~3 h，进行碳源的碳化，在流量为100~300 mL·min^-1的氩气或氮气下，随炉冷却至室温，将产物取出、研磨，得到碳与盐的混合物；

4）将步骤3）所得混合物加入到去离子水中，制得浓度为20~50 g·L^-1的悬浊液，搅拌10~30 min，随后用去离子水抽滤洗涤，得到黑色粉末，将其在50~100℃干燥箱中干燥10~24 h，得到具有大孔-介孔-微孔的分级多孔碳材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：工艺简单，成本低，所制得的分级多孔碳具有三维网络状结构，比表面积大于 600 m²·g^-1，其中的大孔孔径为1~2 μm，介孔孔径为5~20 nm，微孔孔径为0.5~2 nm。这种分级多孔碳材料可以应用于超级电容器电极和锂离子电池负极材料等。

附图说明

图1为本发明实施例一所制得分级多孔碳结构的TEM图。

图2为本发明实施例一所制备分级多孔碳的实物图。

图3为本发明实施例一所制备分级多孔碳的氮气吸附脱附曲线图。

图4为本发明实施例一所制备分级多孔碳的孔径分布曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例一

称量25 g海盐，溶于100 mL去离子水中，使用孔径为0.22μm滤纸对所得溶液进过滤处理，以滤去泥沙等不溶杂质，得到澄清海盐溶液；将1.25 g无水葡萄糖加入到上述海盐溶液中，将混合溶液在200 rpm的速率下搅拌4 h；随后进行真空冷冻干燥（干燥机的冷阱温度为-50℃，气压<20 Pa），得到前驱体粉末；将前驱体粉末置于刚玉管式炉中，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下，以5℃·min^-1的升温速率加热到650℃，保温2 h，使得碳源碳化，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下随炉冷却至室温，将样品取出、研磨，得到碳与盐的混合物；将所得混合物加入到400 mL去离子水中制得悬浊液，在200 rpm的速率下搅拌15 min，随后抽滤（滤纸孔径为0.22μm）洗涤，对得到粉末再加入400 mL去离子水，搅拌15 min，再次抽滤，得到黑色粉末，将其在干燥箱中于80℃干燥10 h，得到分级多孔碳材料。经透射电镜观察，所制得碳材料的大孔孔径为1~2 μm。经氮气等温吸附脱附测试表明，所制得碳材料比表面积为 689 m²·g^-1，基于DFT孔径分布分析结果显示，所制得碳材料介孔孔径集中分布于5 nm，微孔孔径分布于0.5~2 nm

实施例二

称量25 g海盐，溶于100 mL去离子水中，使用孔径为0.22μm滤纸对所得溶液进过滤处理，以滤去泥沙等不溶杂质，得到澄清海盐溶液；将1.25 g无水葡萄糖加入到上述海盐溶液中，将混合溶液在200 rpm的速率下搅拌4 h；随后将溶液在干燥箱中以80℃进行干燥，得到前驱体粉末；将前驱体粉末置于刚玉管式炉中，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下，以8℃·min^-1的升温速率加热到650℃，保温2 h，使得碳源完全碳化，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下随炉冷却至室温，将样品取出、研磨，得到碳与盐的混合物；将所得混合物加入到400 mL去离子水中制得悬浊液，在200 rpm的速率下搅拌15 min，随后抽滤（滤纸孔径为0.22μm）洗涤三次，得到黑色粉末，将其在80℃干燥箱中干燥10 h，得到分级多孔碳材料。

实施例三

称量25 g海盐，溶于100 mL去离子水中，使用孔径为0.22μm滤纸对所得溶液进过滤处理，以滤去泥沙等不溶杂质，得到澄清海盐溶液；将1.25 g蔗糖加入到上述海盐溶液中，将混合溶液在200 rpm的速率下搅拌4 h；随后进行真空冷冻干燥（干燥机的冷阱温度为-50℃，气压<20 Pa），得到前驱体粉末；将前驱体粉末置于刚玉管式炉中，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下，以5℃·min^-1的升温速率加热到750℃，保温2 h，使得碳源碳化，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下随炉冷却至室温，将样品取出、研磨，得到碳与盐的混合物；将所得混合物加入到400 mL去离子水中制得悬浊液，在200 rpm的速率下搅拌15 min，随后抽滤（滤纸孔径为0.22μm）洗涤三次，得到黑色粉末，将其在80℃干燥箱中干燥10 h，得到分级多孔碳材料。

实施例四

称量25 g海盐，溶于100 mL去离子水中，使用孔径为0.22μm滤纸对所得溶液进过滤处理，以滤去泥沙等不溶杂质，得到澄清海盐溶液；将2 g柠檬酸加入到上述海盐溶液中，将混合溶液在200 rpm的速率下搅拌4 h；随后将溶液在80℃的干燥箱中干燥，得到前驱体粉末；将前驱体粉末置于刚玉管式炉中，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下，以10℃·min^-1的升温速率加热到700℃，保温2 h，使得碳源碳化，在流量为200 mL·min^-1的氩气气氛下随炉冷却至室温，将样品取出、研磨，得到碳与盐的混合物；将所得混合物加入到400 mL去离子水中制得悬浊液，在200 rpm的速率下搅拌15 min，随后抽滤（滤纸孔径为0.22μm）洗涤，得到黑色粉末，将其在80℃干燥箱中干燥10 h，得到分级多孔碳材料。

Claims (1)

1.一种基于海盐模板制备分级多孔碳材料的方法，其特征在于包括以下过程：

1）将海盐配制成质量分数为15~30 %的水溶液，将所得溶液进行过滤处理，以滤去泥沙，得到澄清海盐溶液；

2）将可溶性碳源无水葡萄糖、蔗糖或柠檬酸加入到步骤1）中的盐溶液中，配成碳源的浓度达为10~50 g·L^-1的混合溶液，将混合溶液搅拌；随后进行在60~100 °C干燥或-50 °C真空冷冻干燥，得到前驱体粉末；

3）将前驱体粉末置于刚玉管式炉中，在流量为100~300 mL·min^-1的氩气或氮气保护下，以5~10 °C·min^-1的升温速率加热到600 °C~750 °C，保温1~3 h，进行碳源的碳化，在流量为100~300 mL·min^-1的氩气或氮气下，随炉冷却至室温，将产物取出、研磨，得到碳与盐的混合物；

4）将步骤3）所得混合物加入到去离子水中，制得浓度为20~50 g·L^-1的悬浊液，搅拌10~30 min，随后用去离子水抽滤洗涤，得到黑色粉末，将其在50~100 °C干燥箱中干燥10~24 h，得到具有大孔-介孔-微孔的分级多孔碳材料。