CN114291806A - 一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、低阶煤前处理；步骤二、前驱体原料与活化剂、催化剂的固相机械化学处理；步骤三、混合物的低温熔融；步骤四、混合物的高温活化；步骤五、活化产物的后处理。该方法以低阶弱粘或不粘煤作为碳源，采用机械化学与低温熔融的组合步骤，得到深度交联与均匀混合的碳源‑钾基活化剂‑硼基石墨化度催化剂固相混合物；在钾基活化剂刻蚀造孔的同时，实现低阶煤碳骨架热转化过程中，钾、硼两种元素低温催化石墨化机制的协同。本发明制备的碳材料不仅具有发达的孔隙，同时呈现出长程石墨化结构的均匀发展，作为超级电容电极材料展现出优异的导电性能及倍率性能。

Description

一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料的制备方法，具体涉及一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法。

背景技术

超级电容器因具备快速充放电、循环寿命长等特性，在高功率电化学储能场景中得到了广泛应用。多孔碳材料是超级电容器中最为重要的电极活性材料，其理化结构的调控是优化超级电容能量密度、功率密度、循环寿命的关键。高性能的多孔碳电极材料既要求高的比表面积及孔容为离子的存储提供更多的活性位点，又要求长程有序的碳微晶结构为电子的快速导通提供通道，同时保证电极材料的循环稳定性。然而传统多孔碳材料内碳微晶往往呈现无定型特征，石墨化度较低，限制了其作为超级电容电极材料功率密度的提升，多孔碳孔隙结构与石墨化度的协同发展是构建高性能碳基超级电容的重要方向。

重质碳原料如煤及其衍生物、生物质等，其结构中富含大量sp²键合特性的缩合芳环，是制备多孔碳材料的重要原料选择。以煤炭和生物质为例，基于煤/生物质制多孔碳材料已有许多方法被开发出来，主要包括物理活化法和化学活化法，热解时通过活性气氛（如CO₂、H₂O蒸汽）或活化试剂（如KOH）与碳前体发生氧化反应，实现刻蚀造孔。然而，物理或化学活化法直接制得的碳材料内主要为无定形碳结构，结构中含有大量的短程微晶片段，石墨化度较低[Carbon 114 (2017) 98-105]，影响其作为电极材料的导电性和长循环稳定性。在提高多孔碳材料中石墨化/石墨烯结构含量方面，CN111710530A使用K基化合物活化煤炭，通过提高活化温度发挥金属K的催化石墨化效应，从而在一定程度上提高材料的石墨化度。然而，由于制备过程中只是采用简单的液相浸渍法进行混合，导致原煤与活化剂混合均匀性较差，化学试剂无法很好的渗入碳材料内部，调控力度与深度欠缺，致使材料最终仍为石墨化碳-无定形碳复合结构，长程石墨化的碳结构含量较少且均匀性较差。

为深度提高碳材料的石墨化度，目前采取的主要途径为催化石墨化。文献[Energy& Fuels 26 8 (2012) 5186-5192]选用太西煤和Fe₂(SO₄)₃作为催化剂在2400℃将太西煤的石墨化度提升到91.98%，然而高的反应温度导致制备的碳材料缺乏孔隙，限制了其在超级电容中的应用。在化学活化造孔过程添加过渡金属能一定程度上实现低温催化石墨化并维持孔隙，CN102867654A使用碱金属氢氧化物活化银杏壳（生物质原料）的同时，添加含过渡金属的硝酸盐作为石墨化度催化剂；但过渡金属离子的引入方式（液相浸渍）仍然限制了后续活化过程石墨化结构的深度、均匀形成及发展，此外过渡金属离子（如Cu²⁺、Fe³⁺）会在活化反应过程中生成金属氧化物，在碳结构内引入新的金属杂质。

低阶弱粘或不粘煤储量丰富，碳结构年轻且活性较强，在热转化过程易于实现碳结构的深度调控，是实现多孔碳材料低成本制备的重要原料选择；但由于其结构内缺乏胶质体及流动相，热转化过程难以发展长程有序碳微晶，现有的石墨化多孔碳制备技术由于存在活化剂/催化剂选取不佳、固相物质混合不均、反应条件优化不足等问题，只能对碳材料局部区域的石墨化度进行提升，而难以实现碳材料整体石墨化度的深度提升与均匀发展。

发明内容

针对传统方法制备多孔碳材料存在孔隙与微晶结构难以协同发展的问题，本发明提供了一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法。该方法以储量丰富、成本低、碳结构活性高的低阶弱粘或不粘煤作为碳源，采用机械化学与低温熔融的组合步骤，得到深度交联与均匀混合的碳源-钾基活化剂-硼基石墨化度催化剂固相混合物；通过对活化过程工艺条件的优化，在钾基活化剂刻蚀造孔的同时，实现低阶煤碳骨架热转化过程中，钾、硼两种元素低温催化石墨化机制的协同。本发明制备出的碳材料不仅具有发达的孔隙，同时呈现出长程石墨化结构的均匀发展，作为超级电容电极材料展现出优异的导电性能及倍率性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，以低阶褐煤/次烟煤或其预碳化产物为碳源，首先与钾基活化剂、硼基石墨化度催化剂经历固相机械化学处理实现固相预交联及均匀混合；进一步利用钾基活化剂的熔融特性对固相混合物进行低温熔融处理实现活化剂、催化剂与碳基质在更小尺度的深度混合；最后，在800~1100℃范围内实现多孔碳孔隙与石墨化度的协同发展。如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、低阶煤前处理：对低阶煤进行粉碎、筛分、干燥处理，获得细化煤粉作为前驱体原料，或细化煤粉进一步预碳化作为前驱体原料，其中：

所述低阶煤为弱粘或不粘煤，包括褐煤、次烟煤；

所述细化煤粉的粒径为50μm~0.2mm；

所述预碳化的温度为500~800℃，时间为0.5~10h；

步骤二、前驱体原料与活化剂、催化剂的固相机械化学处理：将前驱体原料与钾基活化剂、硼基催化剂进行固相机械化学处理，使固相混合物预交联并实现深度均匀混合，其中：

所述钾基活化剂为KOH，硼基石墨化度催化剂为H₃BO₃；

所述机械化学处理的气氛为空气、CO₂、N₂或Ar；

所述低阶煤粉与钾基活化剂、硼基催化剂的质量比为1：1~10：0.5~5；

步骤三、混合物的低温熔融：将步骤二中的固相混合物转移至镍坩埚并置于管式炉内，在惰性气氛下将炉内温度升至钾基物质熔融温度以上（此温度不超过后续活化温度），恒温一段时间后，得到完全呈熔融态的混合物，其中：

所述低温熔融处理的温度为300~600℃，时间为0.5~2h；

所述低温熔融过程的升温速率为1~15℃/min；

所述惰性气氛为高纯氮气或高纯氦气；

步骤四、混合物的高温活化：将步骤三中所形成的熔融混合物继续在惰性气氛下升温直至达到反应活化温度，恒温一段时间，待管式炉内温度自然冷却至室温后，得到活化产物，其中：

所述高温活化的温度为800~1100℃，活化恒温时间为1~10h；

所述高温活化过程的升温速率为1~15℃/min；

所述惰性气氛为高纯氮气或高纯氦气；

步骤五、活化产物的后处理：将步骤四中所得产物经酸洗和水洗后，置于干燥箱中烘干，即得到石墨化度均匀深度发展的、可应用在超级电容器中的低阶煤基石墨化多孔碳材料，其中：

所述活化产物后处理选用的酸洗液为盐酸和氢氟酸；

所述盐酸的浓度为1~5mol/L，氢氟酸的质量分数为1~10wt%；

所述烘干温度为80℃，时间为24h；

所述低阶煤基石墨化多孔碳材料的灰分含量为0.05~0.2%；

所述低阶煤基石墨化多孔碳材料的比表面积应不低于1800m²/g，石墨化度I _G/I _D的值应不低于2，由该材料所制备的超级电容电极在水系三电极体系下，低电流密度下比电容大于200F/g，高电流密度50A/g下比电容保有率超过55%。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）基于机械化学与低温熔融的组合步骤，实现碳源-活化剂-催化剂的深度交联与均匀混合，为后续石墨化结构的均匀深度发展奠定基础。原料混合方式采用固相机械化学处理代替传统液相浸渍或固相混合方法，使低阶煤与钾基活化剂、硼基催化剂发生固相预交联并实现均匀混合；在此基础上进一步利用钾基活化剂的低温熔融特性，在液相流动机制的促进作用下，活化剂与催化剂能更好的渗入碳源结构内部，为后续石墨化度的多尺度提升创造了条件。

（2）高温活化造孔过程同时发生两种低温催化石墨化机制，实现孔隙结构与石墨化度的协同发展。高温活化造孔的同时，硼基催化剂中硼元素具有高渗碳特性，通过直接参与碳基面/片层的组装，在小尺度层面发展片层的石墨化度；钾基活化剂在高温下会生成以蒸汽形式存在的钾单质，煤表面的某些含氧官能团会被还原性很强的钾去除，产生大量碳悬键，同时钾会插层在碳晶格中，削弱层间的范德华力，使微晶片层更容易被剥落，而后在钾的穿梭效应下，在大尺度层面对碳悬键、微晶片层进行修复，拼接与重组。两种机制的协同作用下，实现材料石墨化度的多尺度发展与深度提升。

（3）本发明解决了传统多孔碳化学或物理活化工艺在造孔过程中难以协同发展长程石墨化结构的关键瓶颈。通过改变低阶煤预处理方式、调控煤粉与活化剂/催化剂的比例、优选低温熔融温度、活化温度与时间，能够实现低阶煤碳骨架热转化过程多种低温石墨化机制的协同，从而大大提升石墨化度。

（4）本发明制备得到的多孔碳兼具发达的孔隙与高的石墨化度，在超级电容储能中展现了优异的导电性及倍率性能。本发明制备得到的多孔碳比表面积可达2000m²/g以上，石墨化结构均匀且石墨化度I _G/I _D的值大于2，呈现明显的石墨化/石墨烯特征结构。相比于商用超容碳材料，导电率提升5倍以上。作为超级电容电极材料，展现了优异的比容量和高电流密度下的容量保有率。

（5）本发明以低成本、大储量的低阶弱粘或不粘煤作为碳源，多孔碳的石墨化度提升过程无需传统大于2000℃的高温石墨化处理，反应条件温和、操作步骤简单，具有低成本、宏量制备的潜力。

附图说明

图1为本发明多孔石墨化碳材料的制备流程图；

图2为实施例1所得碳材料（PGC-1）的SEM图，其中，（a）为10μm下PGC-1的SEM图，（b）为5μm下PGC-1的SEM图；

图3为实施例2所得碳材料（PGC-2）的SEM图，其中，（a）为10μm下PGC-2的SEM图，（b）为5μm下PGC-2的SEM图；

图4为对比例1所得碳材料（PC）的SEM图，其中，（a）为10μm下PC的SEM图，（b）为5μm下PC的SEM图；

图5为实施例1、2所得碳材料（PGC-1、PGC-2）及对比例1所得碳材料（PC）的氮吸附等温线图；

图6为实施例1、2所得碳材料（PGC-1、PGC-2）的拉曼光谱图，其中，（1）、（2）为显微镜下样品典型光斑处的Raman光谱图，均呈现良好的石墨化度；

图7为对比例1所得碳材料（PC）的拉曼光谱图，其中，（1）、（2）为显微镜下样品典型光斑处的Raman光谱图，在（2）较大光斑处，样品石墨化度较差，呈现无定形碳结构；

图8为实施例1、2所得碳材料（PGC-1、PGC-2）及对比例1所得碳材料（PC）的X射线衍射图谱（XRD）；

图9为实施例1、2所得碳材料（PGC-1、PGC-2）及对比例1所得碳材料（PC）的导电率图；

图10为实施例1所得碳材料（PGC-1）制成的超级电容电极在6M KOH电解液体系中的循环伏安特性曲线图；

图11为实施例1所得碳材料（PGC-1）制成的超级电容电极在6M KOH电解液体系中的充放电特征曲线图；

图12为实施例1所得碳材料（PGC-1）制成的超级电容电极在6M KOH电解液体系中的电流密度-体积比电容曲线；

图13为实施例2所得碳材料（PGC-2）制成的超级电容电极在6M KOH电解液体系中的循环伏安特性曲线图；

图14为实施例2所得碳材料（PGC-2）制备成的超级电容电极在6M KOH电解液体系中的充放电特征曲线图；

图15为实施例2所得碳材料（PGC-2）制成的超级电容电极在6M KOH电解液体系中的电流密度-体积比电容曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

将磨碎筛分干燥后粒径为120~160目的低阶原煤（准东次烟煤）转移至石英坩埚中，并置于管式炉内，在氮气气氛下（流量为200mL/min），以10℃/min的速率从室温升至700℃，恒温1h后取出，此时所得为预碳化处理后煤样。称取2g预碳化处理后的煤样，并按质量比1：1：4的比例依次加入2g H₃BO₃粉末和8g片状KOH，进行机械化学处理，使其发生预交联并均匀混合。将固相混合物转移至镍坩埚并置于热解管式炉中，通入氮气后（流量200mL/min）以5℃/min的速率升温至400℃并恒温1h，此时混合物呈熔融态；继续将管式炉温度由400℃继续升至1000℃，并恒温1h进行高温活化；待管式炉自然冷却至室温后取出样品，用5mol/L的稀盐酸洗涤样品3次，每次6h，再用10wt%的氢氟酸洗涤样品2次，每次6h，对样品进行深度酸洗；用去离子水反复离心上述酸洗后样品，直至上层清液呈中性；最后在80℃下干燥12h，即可得到低阶煤基石墨化多孔碳材料。

将此碳材料与导电炭黑、聚四氟乙烯（PTFE）乳液按8：1：1的质量比均匀混合，添加无水乙醇后碾压成膜，裁剪下质量为1mg的薄膜，再次添加无水乙醇，将其擀成面积大小约为1cm²的极片，在其外部覆盖泡沫镍并加压，置于110℃的真空干燥箱中12h，制成超级电容电极片。将其与6M KOH溶液、参比电极为饱和甘汞、对电极为Pt片组成水系三电极体系，进行电化学性能测试。

采用本实施例所述的低阶煤基多孔碳石墨化度多尺度调控方法所得碳材料（PGC-1）：比表面积为1833m²/g；拉曼测试条件下样品在光斑（1）处的石墨化度I _G/I _D为2.69，光斑（2）处的石墨化度I _G/I _D为4.09；对材料粉末电阻率进行测试，10Mpa下材料导电率为24.42Scm^-1；由此碳材料所制成的超级电容电极在低电流密度下比电容为171.2F/g，高电流密度下（50A/g）比电容仍有95.6F/g，保留率为55.8%，具有较好的倍率性能。

实施例2

称取2g磨碎筛分干燥后粒径为120~160目的低阶原煤（准东次烟煤），按质量比1：1：4的比例依次加入2g H₃BO₃粉末和8g片状KOH，进行机械化学处理，使其发生预交联并均匀混合。将固相混合物转移至镍坩埚并置于热解管式炉中，通入氮气后（流量200mL/min）以5℃/min的速率升温至400℃并恒温1h，此时混合物呈熔融态；继续将管式炉温度由400℃继续升至1000℃，并恒温1h进行高温活化；待管式炉自然冷却至室温后取出样品，用5mol/L的稀盐酸洗涤样品3次，每次6h，再用10wt%的氢氟酸洗涤样品2次，每次6h，对样品进行深度酸洗；用去离子水反复离心上述酸洗后样品，直至上层清液呈中性；最后在80℃下干燥12h，即可得到低阶煤基石墨化多孔碳材料。

将此碳材料与导电炭黑、聚四氟乙烯（PTFE）乳液按8：1：1的质量比均匀混合，添加无水乙醇后碾压成膜，裁剪下质量为1mg的薄膜，再次添加无水乙醇，将其擀成面积大小约为1cm²的极片，在其外部覆盖泡沫镍并加压，置于110℃的真空干燥箱中12h，制成超级电容电极片。将其与6M KOH溶液、参比电极为饱和甘汞、对电极为Pt片组成水系三电极体系，进行电化学性能测试。

采用本实施例所述的低阶煤基多孔碳石墨化度多尺度调控方法所得碳材料（PGC-2）：比表面积为2244m²/g；拉曼测试条件下样品在光斑（1）处的石墨化度I _G/I _D为3.11，光斑（2）处的石墨化度I _G/I _D为2.85；对材料粉末电阻率进行测试，10Mpa下材料导电率为15.33Scm^-1；由此碳材料所制成的超级电容电极在低电流密度下比电容为218.9F/g，高电流密度下（50A/g）比电容仍有116.6F/g，保留率为53.2%，具有较好的倍率性能。

实施例3

本实施例与实施例1和2不同的是，低阶煤为褐煤。

对比例1

将磨碎筛分干燥后粒径为120~160目的2g低阶原煤（准东次烟煤）放入研钵中，按质量比1：4的比例加入8g片状KOH，研磨后使其充分混合均匀。将混合物转移至镍坩埚并置于热解管式炉中，通入氮气后（流量200mL/min）以5℃/min的速率升温至1000℃，活化1h；待管式炉自然冷却至室温后取出样品，用5mol/L的稀盐酸洗涤样品3次，每次6h，再用10wt%的氢氟酸洗涤样品2次，每次6h；用去离子水反复离心上述酸洗后样品，直至上层清液呈中性；最后在80℃下干燥12h得到多孔碳材料。

采用本对比例所述方法制备的碳材料（PC）：比表面积为2342m²/g；拉曼测试条件下样品在光斑（1）处的石墨化度I _G/I _D为6.37，光斑（2）处的石墨化度I _G/I _D为1.07，对材料粉末电阻率进行测试，10Mpa下材料导电率为13.13S cm^-1。

Claims (10)

1.一种低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、低阶煤前处理：对低阶煤进行粉碎、筛分、干燥处理，获得细化煤粉，作为前驱体原料；

步骤二、前驱体原料与活化剂、催化剂的固相机械化学处理：将前驱体原料与钾基活化剂、硼基催化剂进行固相机械化学处理，使固相混合物预交联并实现深度均匀混合，其中：所述低阶煤粉与钾基活化剂、硼基催化剂的质量比为1：1~10：0.5~5；

步骤三、混合物的低温熔融：将步骤二中的固相混合物转移至镍坩埚并置于管式炉内，在惰性气氛下将炉内温度升至300~600℃进行低温熔融处理，恒温0.5~2h后，得到完全呈熔融态的混合物；

步骤四、混合物的高温活化：将步骤三中所形成的熔融混合物继续在惰性气氛下升温至800~1100℃进行高温活化处理，恒温1~10h，待管式炉内温度自然冷却至室温后，得到活化产物；

步骤五、活化产物的后处理：将步骤四中所得产物经酸洗和水洗后，置于干燥箱中烘干，即得到石墨化度均匀深度发展的低阶煤基石墨化多孔碳材料。

2.根据权利要求1所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述低阶煤为弱粘或不粘煤，细化煤粉的粒径为50μm~0.2mm。

3.根据权利要求1或2所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述低阶煤为褐煤或次烟煤。

4.根据权利要求1或2所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述细化煤粉进一步预碳化作为前驱体原料，预碳化的温度为500~800℃，时间为0.5~10h。

5.根据权利要求1所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述钾基活化剂为KOH，硼基石墨化度催化剂为H₃BO₃。

6.根据权利要求1所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述机械化学处理的气氛为空气、CO₂、N₂或Ar。

7.根据权利要求1所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述低温熔融和高温活化的升温速率为1~15℃/min。

8.根据权利要求1所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述低温熔融和高温活化的惰性气氛为高纯氮气或高纯氦气。

9.根据权利要求1所述的低阶煤基多孔碳石墨化度的多尺度调控方法，其特征在于所述酸洗用的酸洗液为盐酸和氢氟酸，盐酸的浓度为1~5mol/L，氢氟酸的质量分数为1~10wt%。

10.权利要求1-9任一项所述方法制备的低阶煤基石墨化多孔碳材料在超级电容器中的应用。

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