CN110127660B - 微波制备多孔碳纳米材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波制备多孔碳纳米材料的方法。所述方法以质量比为1:1的碳粉与甲苯的混合物为微波反应剂，按质量比为1:10～200将微波反应剂和柠檬酸钾混合后研磨，再置于200～800W下微波加热，制备得到多孔碳纳米材料。本发明方法简便、高效且成本低，制得的多孔碳纳米材料具有较高比表面积和比电容，可作为高性能超级电容器材料。

Description

微波制备多孔碳纳米材料的方法
技术领域
本发明涉及碳材料制备技术领域，涉及一种微波制备多孔碳纳米材料的方法。
背景技术
多孔碳材料具有尺寸可控的孔道结构、良好的导电和导热性、可调的表面组分等特性，可以作为优良的电极材料，应用于锂离子电池和超级电容器。多孔碳材料的制备主要通过含碳前驱体原料在惰性气氛保护下，高温处理形成，通过选择前驱体的种类以及多样的活化方式，对碳材料的形貌、孔径结构和表面组分进行调控。除了需要经过高温活化合成碳材料以外，在材料活化过程中往往需要加入一些助剂如水蒸气、CO2、KOH、ZnCl2等。虽然上述方法能够获得高孔径分布、高比表面积的多孔碳材料，但往往能耗较高，产量偏低，后处理会产生二次污染，不利于节能环保。
微波反应法作为一种新型的加热方法，具有升温速率快、反应程度高、节能环保等优点。Voiry研究组采用家用微波炉预热处理结合微波还原的方法(Science,2016,353,1413)，制备的石墨烯碳基团含量高、表面缺陷数量少。微波产生的瞬间高热可使氧化石墨烯发生深度脱氧以及促进碳原子的重组使缺陷减少。但是，预处理需要长时间传统加热方式对氧化石墨烯进行预还原。中国专利申请CN108258240A中，虽采用了微波辅助实验，但只是采用微波合成了混合物，并且后续还需要高温煅烧才能制得多孔结构的空心碳球，实验步骤繁琐，耗时长，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速高效合成且具有高比表面积和较高比电容的微波制备多孔碳纳米材料的方法，解决现有技术的反应时间长、能耗大、生产成本高的问题。
实现本发明目的的技术方案如下：
微波制备多孔碳纳米材料的方法，具体步骤如下：
以质量比为1:1的碳粉与甲苯的混合物为微波反应剂，按质量比为1:10～200将微波反应剂和柠檬酸钾混合后研磨，再置于200～800W下微波加热，反应结束后，自然冷却，洗涤，减压抽滤并干燥，得到多孔碳纳米材料。
本发明所述的碳粉选自石墨、乙炔黑或活性炭。
优选地，所述的微波反应剂和柠檬酸钾的质量比为1：100～200。
优选地，所述的研磨时间为10～20min，所述的微波加热时间为60～600s，在保证原料的充分反应的同时又能够降低能耗。
优选地，所述的洗涤为依次采用10～50％的稀盐酸和水洗涤去除杂质。
优选地，所述的干燥温度为50～100℃，所述温度下既能使多孔碳纳米材料充分干燥，又可以防止多孔碳纳米材料表面的氧化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明方法简单易行，反应时间短，无需使用大型高能耗加热装置，以柠檬酸钾作为碳源，绿色环保，成本低，制得的多孔碳纳米材料物化性质稳定，且具有较高比表面积和比电容。
附图说明
图1是实施例1所制备材料的扫描电镜图。
图2是实施例1所制备材料的(a)循环伏安曲线，(b)充放电曲线图。
图3是实施例2所制备材料的(a)循环伏安曲线，(b)充放电曲线图。
图4是实施例3所制备材料的(a)循环伏安曲线，(b)充放电曲线图。
图5是对比例1所制备材料的(a)循环伏安曲线，(b)充放电曲线图。
图6是对比例2所制备材料的(a)循环伏安曲线，(b)充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
称取微波反应剂0.01g和柠檬酸钾1g，其中微波反应剂为石墨和甲苯的混合物，质量比为1:1，将微波反应剂和柠檬酸钾混合于研钵中充分研磨10分钟，然后置于微波反应器中进行微波加热，反应功率为600W，反应时间为300s。待产物自然冷却后，将产物用1mol/L盐酸和水洗涤去除杂质，减压抽滤并在60℃烘箱中干燥，得到多孔碳纳米材料。其比表面积为1200m2/g。
实施例2
称取微波反应剂0.01g和柠檬酸钾0.1g，其中微波反应剂为石墨和甲苯的混合物，质量比为1:1，将微波反应剂和柠檬酸钾混合于研钵中充分研磨10分钟，然后置于微波反应器中进行微波加热，反应功率为600W，反应时间为300s。待产物自然冷却后，将产物用1mol/L盐酸和水洗涤去除杂质，减压抽滤并在60℃烘箱中干燥，得到多孔碳纳米材料。
实施例3
称取微波反应剂0.01g和柠檬酸钾2g，其中微波反应剂为石墨和甲苯的混合物，质量比为1:1，将微波反应剂和柠檬酸钾混合于研钵中充分研磨10分钟，然后置于微波反应器中进行微波加热，反应功率为600W，反应时间为300s。待产物自然冷却后，将产物用1mol/L盐酸和水洗涤去除杂质，减压抽滤并在60℃烘箱中干燥，得到多孔碳纳米材料。
对比例1
称取微波反应剂0.01g和柠檬酸钾0.09g，其中微波反应剂为石墨和甲苯的混合物，质量比为1:1，将微波反应剂和柠檬酸钾混合于研钵中充分研磨10分钟，然后置于微波反应器中进行微波加热，反应功率为600W，反应时间为300s。待产物自然冷却后，将产物用1mol/L盐酸和水洗涤去除杂质，减压抽滤并在60℃烘箱中干燥，得到多孔碳纳米材料。
对比例2
称取微波反应剂0.01g和柠檬酸钾2.1g，其中微波反应剂为石墨和甲苯的混合物，质量比为1:1，将微波反应剂和柠檬酸钾混合于研钵中充分研磨10分钟，然后置于微波反应器中进行微波加热，反应功率为600W，反应时间为300s。待产物自然冷却后，将产物用1mol/L盐酸和水洗涤去除杂质，减压抽滤并在60℃烘箱中干燥，得到多孔碳纳米材料。
图1是实施例1所制备材料的扫描电镜图，从图中可以看出氮掺杂碳纳米片为多孔状结构，孔径约为0.4微米，壁厚约为30纳米。
图2是实施例1所制备材料的(a)循环伏安曲线、(b)充放电曲线图，从曲线中可知实施例1所制备材料的比电容为318F/g，具有较高的比电容量。
图3是实施例2所制备材料的(a)循环伏安曲线、(b)充放电曲线图，从曲线中可知实施例2所制备材料的比电容为186.2F/g。
图4是实施例3所制备材料的(a)循环伏安曲线、(b)充放电曲线图，从曲线中可知实施例3所制备材料的比电容为259F/g。
图5是对比例1所制备材料的(a)循环伏安曲线、(b)充放电曲线图，从曲线中可知对比例1所制备材料的比电容为30F/g，具有低的比电容量。
图6是本发明对比例2所制备材料的(a)循环伏安曲线、(b)充放电曲线图，从曲线中可知对比例2所制备材料的比电容为176F/g，具有较低的比电容量。

Claims (5)

1.微波制备多孔碳纳米材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
以质量比为1：1的碳粉与甲苯的混合物为微波反应剂，按质量比为1：10～200将微波反应剂和柠檬酸钾混合后研磨，再置于200～800W下微波加热，反应结束后，自然冷却，洗涤，减压抽滤并干燥，得到多孔碳纳米材料；所述的微波加热时间为60s；所述的碳粉选自石墨、乙炔黑或活性炭。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微波反应剂和柠檬酸钾的质量比为1：100～200。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的研磨时间为10～20min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的洗涤为依次采用10～50％的稀盐酸和水洗涤去除杂质。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的干燥温度为50～100℃。
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