一種超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法。在該制備過程中，通過模板控制合成具有特殊形貌的碳化鉻前驅(qū)體，利用刻蝕劑原位去除鉻原子以得到微孔，然后去除介孔模板得到具有規(guī)則孔道的有序排列的介孔，形成介孔、微孔分層次組合的多孔炭。其中碳化鉻骨架炭的形貌可通過模板法控制，微孔與介孔相對(duì)含量可通過控制合成反應(yīng)條件與原料配比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到孔結(jié)構(gòu)與孔徑分布在原子級(jí)水平精確可調(diào)、形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭。通過本發(fā)明可以得到比電容高、離子擴(kuò)散與轉(zhuǎn)移阻抗小、倍率性能良好、循環(huán)性能優(yōu)異的、形貌可控的層次多孔新型超級(jí)電容器電極材料。
【專利說明】一種超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及先進(jìn)能源材料領(lǐng)域超級(jí)電容器電極材料，尤其涉及一種超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器是一種介于電池與傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能裝置，具有循環(huán)壽命長，功率密度高，能量密度高，充放電迅速，安全系數(shù)高，環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，因而在電化學(xué)能源存儲(chǔ)領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展?jié)撃堋Ｊ澜缰萍计诳绹短剿鳌冯s志曾將超級(jí)電容器列為世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，并評(píng)價(jià)它是能量儲(chǔ)存領(lǐng)域一項(xiàng)劃時(shí)代的革命。
[0003]超級(jí)電容器發(fā)展的關(guān)鍵在于電極材料。碳材料是應(yīng)用最為廣泛的超級(jí)電容器電極材料之一，因?yàn)槠渚哂袃?yōu)異的導(dǎo)電性能，豐富的孔結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，穩(wěn)定的化學(xué)性能以及低廉的價(jià)格。目前超級(jí)電容器中使用較多的碳材料主要有:活性炭、碳纖維、中間相碳微球、碳化物骨架炭、碳納米管等。碳化物骨架炭在上個(gè)世紀(jì)中期作為一種優(yōu)異的吸附材料而受到關(guān)注，然而其獨(dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)、較窄的孔徑分布以及孔結(jié)構(gòu)可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)則是近年來才被發(fā)現(xiàn)的，而這些優(yōu)點(diǎn)讓它在超級(jí)電容器的應(yīng)用方面擁有很大的應(yīng)用前景。
[0004]碳化物骨架炭通常通過利用刻蝕劑直接去除相應(yīng)金屬碳化物或非金屬碳化物中的非碳原子制備得到，其中氯氣為最常用的刻蝕劑，其制備的反應(yīng)原理為:
【權(quán)利要求】
1.一種超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將0.0001-0.01mol的表面活性劑溶解于去離子水，加入一定量濃度為0.1-2.5mol.L-1的鹽酸溶液或氨水溶液，在25_50°C下攪拌均勻，然后以0.1-1mL.s-1的速度加入1-1OmL硅源，加入0-50mL醋酸，形成均相溶液，此混合溶液在25_50°C下攪拌5-24h，然后在聚四氟乙烯容器中80-110°C攪拌12-36h，將得到的產(chǎn)物過濾，用去離子水洗滌，在100°C下干燥，最后在550°C煅燒24h，即得介孔硅白色粉末； (2)將鉻源、碳源與酸性催化劑溶于熱水或乙醇溶液中，加入步驟(1)所得介孔硅白色粉末，其中鉻源的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-80%，該混合物置于80-200°C下真空處理2-24h得到黃色或棕色粉末； (3)將步驟(2)所得黃色或棕色粉末置于保護(hù)氣體中，在400-1200°C下與刻蝕氣體反應(yīng)Ι-lOh，再在該溫度下保溫l_5h，得到灰色或黑色粉末； (4)將步驟(3)所得灰色或黑色粉末在氫氟酸中浸泡24h以上，用去離子水洗滌，抽濾，100 V下干燥后得到碳化鉻骨架炭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述表面活性劑為三嵌段共聚物P123、三嵌段共聚物F127、十六烷基三甲基溴化銨、氯代十六烷基吡啶、十二烷基硫酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉中的一種或兩種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述硅源為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯、四(1-甲基乙基)硅酸酯中的一種或兩種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述鉻源為鉻酸鈉、鉻酸銨、鉻酸鉀、重鉻酸銨、重鉻酸鈉、重鉻酸鉀、硝酸鉻、硫酸鉻、硫酸鉻鉀、乙酸鉻、二苯鉻、六羰基鉻或乙酰丙酮鉻中的一種或兩種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述碳源為蔗糖、葡萄糖、焦糖、糠醇、丙烯、二乙烯基苯、酚醛樹脂或聚乙二醇中的一種或兩種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述酸性催化劑為對(duì)甲苯磺酸、醋酸、乙二酸、硫酸、硫酸氫鈉、檸檬酸、草酸或酒石酸中的一種或兩種以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述保護(hù)氣體為氮?dú)狻S氣或IS氫混合氣中的一種或兩種以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述IS氫混合氣按體積百分比計(jì)，IS氣占80~99%,氫氣占I~20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器用形貌可控的有序?qū)哟味嗫滋蓟t骨架炭材料的制備方法，其特征在于:所述刻蝕氣體為C12、F2、HF、HC1、C12-HC1中的一種或兩種以上。
【文檔編號(hào)】H01G11/24GK103771392SQ201410045799
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月9日
【發(fā)明者】王先友, 趙青藍(lán), 吳春, 舒洪波, 高姣, 張有為 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)