高比表面積多級孔石墨化碳及其制備方法技術

本發明專利技術公開高比表面積多級孔石墨化碳及其制備方法，制備步驟如下：將能催化碳低溫石墨化的金屬離子鹽加水溶解，加入經預處理的離子交換樹脂，攪拌下，進行交換，用去離子水清洗交換后的離子交換樹脂并烘干；稱量一定所得的產物，加入到含一定質量造孔劑的溶液中，攪拌均勻、烘干、粉碎，過篩；將所得到的產物在高溫爐中進行熱處理；將熱處理得到的產物酸洗、過濾、烘干，即得到所述材料。本發明專利技術方法工藝簡單、成本低、安全、易于實現規模化及工業化生產，解決了傳統碳材料孔狀結構單一以及難以同時保證石墨化程度和高比表面積的問題。?

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及碳材料
，具體涉及。
技術介紹
近年來，隨著能源、分離技術、電催化技術的快速發展，碳材料作為其應用的一種主體材料，在學術界和工業界已被廣泛關注。碳材料，根據其結晶性來分，一般分為無定形碳和石墨化碳。無定形碳是指內部結構無序排布的碳，而石墨化碳是指具體有一定石墨結晶度的碳。相比無定形碳，石墨化結構碳其熱穩定性和化學穩定性提高，導電性和導熱性好。因此，現已被廣泛應用于能源、環境、水處理和電化學等領域。但是，由于石墨化碳內部結構排布有序，形成層狀疊加結構，因此，采用普通方法所合成的石墨化碳材料的比表面積相對較小(〈100 m2/g )。因此，在應用于吸附劑、催化劑載體、電極材料以及能源儲存介質有一定的限制。所以，發展一種高比表面積的多孔石墨化碳材料，顯得十分重要。通常，合成多孔石墨化碳材料的方法主要有以下四種(1)化學活化法、物理活化法、化學和物理活化聯合法；(2)以金屬鹽或金屬有機化合物為碳前驅體催化活化；(3)碳化聚合物或高溫裂解聚合物；(4)碳化超臨界干燥的聚合物凝膠。Wang等以有機金屬鹽(羰基鐵)為石墨化催化劑，乙醇為碳源，合成了較高比表面積的石墨化碳，應用于燃料電池中改進了燃料電池的催化效率和穩定性。Ma等采用USY型沸石為模板合成了多孔的石墨化碳材料，應用于超級電容器中，改善了超級電容器的充放電速率和穩定性。雖然上述方法所合成的多孔石墨化碳材料對改進能源材料的性能有一定的提高，但仍達不到實際應用所需高穩定性、高效率的能源指標。這主要是因為上述傳統方法所合成的多孔石墨化碳材料的孔結構無序，比表面積通常也不高(〈800 m2/g )。因此，這些碳材料在應用于大電流、高容量、長壽命的電儲能裝置中達到電動汽車以及航天應用的要求，上述性能的石墨化碳材料略顯不足。雖然，多篇文獻報道了采用化學活化的方法形成了超高比表面積、孔徑分布合理的碳材料，但是，這些碳材料都是無定形形態，電導率很低，在電化學能源體系中應用受到限制。這些無定形材料在低電流工作條件下，能持續相對長工作時間，但是，在大電流條件下工作，時間很短。這主要是由于化學活化所形成的碳石墨化程度很低、孔結構分布不合理，造成化學結構不穩定、離子不易擴散，電導很低，因而容量衰減很快。由此可見，一種碳材料既要達到高倍率充放電要求又具有高容量和長期穩定性，必須具備如下特點(1)合理的孔徑分布(適當的大孔、介孔和一定量的微孔)和整體結構；(2)高比表面積；(3)石墨化。當前，合成上述材料，主要以模板法為主。該方法以模板為主體材料去控制材料的孔徑分布結構和外觀形貌。Liu等以P123三嵌段共聚物((EO)20 (PO)70 (EO)J合成了高度有序的介孔碳。該方法能夠通過模板合理地控制孔徑分布和孔結構的有序性，以及比表面和外觀結構。但是，在合成上述結構的碳材料前，需制備特殊結構的模板，然而形成一種特殊結構的模板，其過程極其復雜，合成成本也高，因而不易于實際生產中應用。Wang等以Ni(OH)2S模版合成了高度有序的多孔石墨化碳材料，應用于超級電容器中表現出了高倍率、高穩定性的電化學性能。該方法制備簡單，所制備的多孔石墨化碳材料結構有序，化學性能穩定，但是所制備的多孔石墨化碳材料比表面積不高(〈1000 m2/g)，因而應用于超級電容器表現出限制的比容量。鑒于此，本專利技術專利克服了以上不足，開發出一種新穎的離子交換/活化聯合法，一步形成具有高比表面積(> 1800 m2/g)的多級孔石墨化碳。
技術實現思路
本專利技術旨在克服現有技術制備石墨化碳，特別是具有高比表面積多孔石墨化碳的不 足，比如存在石墨化碳的比表面積低、石墨化程度不高、孔狀結構單一、成本高、工藝復雜、不易規模化及工業化問題，提供高比表面積(> 1800 m2/g)多級孔石墨化碳及其制備方法，具體技術方案如下。高比表面積多級孔石墨化碳的制備方法，其包括如下步驟 (1)離子交換樹脂的預處理； (2)石墨化處理。將能催化碳石墨化的金屬離子鹽溶于水形成溶液后，加入經預處理的離子交換樹脂，攪拌下，進行交換，用去離子水清洗交換后的離子交換樹脂并烘干； (3)加入造孔劑。稱量一定步驟(2)所得的產物，加入到含一定質量造孔劑的溶液中，攪拌均勻，烘干、粉碎，過篩； (4)將步驟(3)處理所得的產物，放置于高溫爐中，在保護氣氛中，加熱處理； (5)將步驟(4)所得的產物酸洗、過濾、烘干，即得到具有類石墨烯的高比表面積納米石墨籠、石墨片、多級孔二維石墨等不同形貌的石墨材料。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(I)中的離子交換樹脂為陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、兩性離子交換樹脂中的一種或兩種以上的混合物。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的陽離子交換樹脂為大孔酸性丙烯酸系或酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂；所述的陰離子交換樹脂為大孔堿性丙烯酸系或堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂；所述的兩性離子交換樹脂為丙烯酸-苯乙烯系兩性離子交換樹脂。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(2)中的金屬離子存在于鐵鹽、鈷鹽或鎳鹽中，其中鐵鹽為氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵、硝酸鐵、硝酸亞鐵、醋酸鐵、醋酸亞鐵、亞鐵氰化鉀、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鈉、鐵氰化鈉的一種或兩種；其中鈷鹽為氯化鈷、氯化亞鈷、硫酸鈷、硫酸亞鈷、硝酸鈷、硝酸亞鈷、醋酸鈷、醋酸亞鈷、六硝基合鈷酸鈉、六硝基合鈷酸鉀的一種或兩種；其中鎳鹽為氯化鎳、硫酸鎳、硝酸鎳、醋酸鎳的一種或兩種以上的混合物。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(2)中所述的催化碳石墨化的金屬離子的濃度為O. 01、. 5 mol/L;步驟(2)中所述的催化碳石墨化的金屬離子與離子交換樹脂的用量比例為O. 0002、. 01:1 mol/g。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(3)中所述的造孔劑為氧化物或氫氧化物，包括氧化鉀、氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉的一種或兩種以上的混合物。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(3)中所述的含一定質量造孔劑的溶液為水溶液或易揮發的有機溶液，包括水、甲醇、乙醇、丙酮中的一種或兩種。本專利技術所述的高比表面積多級孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟 (3)中加入樹脂的質量與造孔劑的量比為1:2 7，一般為1:3飛，較好為1:3. 5 4.5。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(4)中的保護氣氛為氮氣、氦氣或氬氣中的一種或兩種以上的混合物。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(4)中的加熱處理的溫度為700 1400 0C, 一般為800 1200 0C,較好為850 1100 °C。加熱處理的保溫時間為O. 1^6小時,一般為O. 5^4小時,較好為1 3小時。本專利技術所述的高比表面積多孔石墨化碳的制備方法，其特點在于所述的步驟(5)中的產物酸洗的酸為鹽酸、硫酸、硝酸中的一種或兩種以上的混合物，處理時間為廣20小時，一般為2 12小時，較好為I飛小時。酸洗后產物過濾、烘干，烘干的溫度為5(T100 °C。與現本文檔來自技高網...

【技術保護點】
高比表面積多級孔石墨化碳的制備方法，其特征在于包括以下步驟：（1）離子交換樹脂的預處理；（2）石墨化處理：將能催化碳石墨化的金屬離子鹽溶于水形成溶液后，加入經所述預處理的離子交換樹脂，攪拌下，進行交換，用去離子水清洗交換后的離子交換樹脂并烘干；（3）加入造孔劑：取適量步驟（2）所得的離子交換樹脂，加入到含造孔劑的溶液中，攪拌均勻，烘干、粉碎，過篩；（4）將步驟（3）處理所得的產物，放置于高溫爐中，在保護氣氛中，加熱處理；??????????（5）將步驟（4）所得的產物酸洗、過濾、烘干，即得到比表面積大于1800m2/g的多級孔石墨化碳，所得多級孔石墨化碳的形狀包括石墨籠狀、石墨片狀或三維網絡狀。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈培康，李運勇，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：發明
國別省市：