本發(fā)明屬于超級(jí)電容器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多孔炭電極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的二次電池相比，超級(jí)電容器具有長(zhǎng)壽命，高功率密度，快速充放電等特點(diǎn)，但是能量密度較低。目前有許多研究工作者都致力于改善超級(jí)電容器體系的能量密度，其中一種是通過(guò)提高電容器電極材料的比電容，另一種是應(yīng)用不對(duì)稱混合型超級(jí)電容器體系，即一個(gè)電極采用電極活性炭電極，而另一個(gè)電極采用贗電容電極材料或電池電極材料，使電容器的工作電壓升高，從而提高電容器的能量密度。由此可見，電極材料選擇是關(guān)鍵。

眾所周知，比電容的大小跟電極材料的微觀表面積，孔隙率(大孔，中孔和微孔)，材料表面的官能團(tuán)等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)小孔占的比例越大，比表面積就越大，從而比電容越高，但是微孔不利于離子傳輸，在一定程度上限制了比電容的大小，而中孔卻可顯著提高離子的傳輸速度。因此，在提高微觀表面積基礎(chǔ)之上，通過(guò)提高中孔的數(shù)量可有效提高比電容的大小。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，在考慮材料結(jié)構(gòu)性能的前提條件上，更需要考慮材料的成本及工藝的簡(jiǎn)易可行性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目在于克服商業(yè)活性炭的低比表面積和以微孔為主等問題，提供一種以中孔為主且具有高比表面積的多孔炭電極材料。

本發(fā)明的另一目的是提供上述多孔炭電極材料的制備方法。

本發(fā)明的再一目的是提供上述多孔炭電極材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用。

本發(fā)明上述目的是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種上述多孔炭電極材料的制備方法，包括以下步驟：

S1.制備有機(jī)氣凝膠：將A物質(zhì)、B物質(zhì)和氫氧化鈉溶解于去離子水中，混合均勻后在密閉容器中密封，在40～60℃下形成濁液，然后置于70～180℃水浴中老化3～7天后，得到苯酚-甲醛水凝膠；

S2.用含1wt％HCl的乙醇溶液于30～100℃下振蕩置換出苯酚-甲醛水凝膠中的水，并在交換過(guò)程中0.5～3h完成凝膠的酸老化，得到苯酚-甲醛有機(jī)氣凝膠；

S3.將苯酚-甲醛有機(jī)氣凝膠與磷酸混合后酸化0.5～5h，得到產(chǎn)物C；；

S4.將步驟S3所得產(chǎn)物C在氮?dú)饣驓鍤鈿夥障蚂褵?/p>

S5.將步驟S4煅燒后的多孔炭在鹽酸和去離子水中洗滌直到溶液呈中性，干燥得到層孔炭電極材料。

優(yōu)選地，步驟S1中所述A物質(zhì)為苯酚或間苯二酚；所述B物質(zhì)為37wt％的甲醛或糠醛。

優(yōu)選地，步驟S1中所述A物質(zhì)、B物質(zhì)和氫氧化鈉的質(zhì)量比為(0.5～1):(2～5):(50～500)。

優(yōu)選地，步驟S3所述苯酚-甲醛氣凝膠與磷酸的質(zhì)量比為1：10。

優(yōu)選地，步驟S4中所述煅燒的溫度為600～900℃；煅燒的升溫速率為5min/s，煅燒的保溫時(shí)間為1～5h。

優(yōu)選地，步驟S5中所述干燥的溫度為60～120℃，干燥的時(shí)間為3～5h。

優(yōu)選地，步驟S5中所述的鹽酸的濃度為1～5mol/L。

一種多孔炭電極材料，所述多孔炭包括孔徑范圍小于2nm的微孔、孔徑范圍為2～40nm的中孔和孔徑范圍為40～100nm的大孔。

優(yōu)選地，所述多孔炭的比表面積為2000～4000m²/g。

另外，上述多孔炭電極材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明通過(guò)磷酸活化有機(jī)氣凝膠可制備出以中孔為主具有高比表面積的多孔炭，這是由于磷酸與有機(jī)氣凝膠的部分碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成五氧化二磷，同時(shí)生成氣體二氧化碳或一氧化碳，起到了刻蝕和造孔作用，而且刻蝕的速度進(jìn)行緩慢，因此，磷酸繼續(xù)刻蝕使微孔形成中孔。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明以苯酚或間苯二酚，與甲醛或糠醛反應(yīng)得到有機(jī)氣凝膠，然后通過(guò)磷酸活化得到多孔炭，該多孔炭包括孔徑范圍小于2nm的微孔、孔徑范圍為2～40nm的中孔和孔徑范圍為40～100nm的大孔。該制備方法簡(jiǎn)單可行，通過(guò)磷酸活化有機(jī)氣凝膠可制備出高比表面積(2477m²g^-1)，中孔(占總體積的99％)為主的多孔炭，這是由于磷酸與有機(jī)氣凝膠的部分碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成五氧化二磷，同時(shí)生成氣體二氧化碳或一氧化碳，起到了刻蝕和造孔作用。由于刻蝕的速度進(jìn)行緩慢，磷酸繼續(xù)刻蝕使微孔形成中孔。中孔的數(shù)量增加提高了離子的傳輸速度，因此，具有較好的超級(jí)電容器電化學(xué)性能。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例2制備的多孔炭電極材料的SEM圖。

圖2為實(shí)施例2制備的多孔炭電極材料對(duì)氮?dú)獾奈?脫附曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。

實(shí)施例1苯酚－甲醛有機(jī)氣凝膠的制備

1.分別取甲醛0.1g、苯酚0.2g和氫氧化鈉0.5g混合均勻，溶解于去離子水中，然后將混合溶液倒入玻璃瓶中密封，在60℃下凝膠，然后置于70℃水浴中老化7天，得到苯酚－甲醛水凝膠；

2.用含1wt％HCl的乙醇溶液于50℃下振蕩置換出苯酚－甲醛水凝膠中的水，并在交換過(guò)程中完成凝膠的酸老化，得到苯酚－甲醛有機(jī)氣凝膠。

實(shí)施例2多孔炭電極材料的制備

1.將實(shí)施例1制得的有機(jī)氣凝膠碾壓成粉末；

2.取有機(jī)氣凝膠1g與磷酸2g混合均勻后酸化5h；

3.在氮?dú)鈿夥障蚂褵鲜鏊峄笥袡C(jī)氣凝膠，其中煅燒的溫度為900℃，升溫速率5min/s，煅燒的保溫時(shí)間3h，得到多孔炭；

4.將多孔碳用1moL/L的鹽酸和去離子水洗滌直到溶液呈中性，最后在120℃干燥3h，得到多孔炭電極材料。

圖1為實(shí)施例2制備的多孔炭超級(jí)電容器電極材料的SEM圖。由圖可知，圖1a顯示出有機(jī)氣凝膠的微觀形貌，該有機(jī)氣凝膠由無(wú)數(shù)小球組成。在磷酸活化后，小球連接成塊狀結(jié)構(gòu)了，如圖1b所示。這是由于高溫時(shí)有機(jī)氣凝膠處于熔融狀態(tài)，而且在磷酸刻蝕作用下形成。從圖2的氮?dú)馕?脫附曲線可知，該電極材料由微孔，中孔和大孔組成。從表1實(shí)施例2所制備多孔炭的孔徑參數(shù)中可知，多孔炭的比表面積為2477m²g^-1，中孔表面積為1.21m²g^-1，中孔體積占總體的99％，從以上數(shù)據(jù)可得出，本發(fā)明所提供的方法可制備以中孔為主的具有高比表面積的多孔炭。

表1實(shí)施例2所制備多孔炭的孔徑參數(shù)

*V_mes％＝V_mes/(V_mes+V_mic)×100％

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合和簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。