[发明专利]一种分级多孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种含有微孔，介孔，大孔和微米级孔道碳材料的制备方法，以及该材料在锂空气电池中的运用。

背景技术

分级多孔碳材料是一种新型碳材料，其具有高比表面积，高孔体积，可调的孔径分布、和良好的加工性能，在吸附、分离和催化等领域域有着巨大的应用前景。而多孔碳材料相比于其他多孔材料，如分子筛和金属有机骨架材料等，具有优异的导电性能，因此其在电化学器件中具有非常广泛的应用。为了获得适宜孔径分布的碳材料，研究者们采用了多种方法来调控碳材料的孔径分布，例如气体活化法、溶胶-凝胶法、软模板法—嵌段共聚物自组装法、硬模板法等。然而这些方法所获得的碳材料孔结构往往比较单一，例如采用气体活化法只能对碳材料的微孔和小介孔部分进行调控，软模板法只能获得孔径单一的介孔材料，硬模板法通常只能对碳材料的介孔和大孔部分进行调控。但是另一方面，为了不断提高电化学器件(如锂空气电池)的功率密度和能量密度，对多孔碳材料的比表面积、孔径分布和孔体积等提出了越来越多的要求。在锂空气电池中，微孔结构一般起着吸附电解液的作用，介孔结构和大孔结构一般起着提供电化学反应位点，大孔结构还起着增强传质的作用。因此要发展高功密度，高能量密度的锂空气电池，制备出微孔、介孔和大孔孔道合理分布的碳材料显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔碳材料的制备方法，该多孔碳材料孔径分布从微孔(＜2nm)、介孔(2n至50nm)至大孔(50nm至600nm)。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

将碳源前驱体、正硅酸乙酯、软模板剂、硬模板剂和分散剂混合均匀后，制备成溶胶，再将溶胶中的分散剂除去制备成凝胶。将凝胶进行碳化并除去模板，将所得产物进行粉化、研磨即可得富含微孔、介孔和大孔孔道的碳材料。

所述碳源前驱体为酚醛树脂、蔗糖、聚丙烯腈、糠醛中的一种或两种或两种以上的混合物。

所述软模板剂为F127(两性三嵌段聚合物，分子式为EO106PO70EO106，其中EO为乙氧基，PO为丙氧基)、P123(两性三嵌段聚合物，分子式为EO20PO70EO20，其中EO为乙氧基，PO为丙氧基)中的一种或两种以上的混合物。

所述硬模板为100nm至500nm的二氧化硅微球、100nm至500nm的聚苯乙烯微球、100nm至500nm的聚甲基丙烯酸甲酯、100nm至500nm的碳酸钙小球中的一种或两种或两种以上的混合物。

所述分散剂为水、乙醇、异丙醇中的一种或两种或两种以上的混合物。

所述正硅酸乙酯与碳源前驱体的质量比为1至10，软模板剂与正硅酸乙酯的质量比为0.5至10，硬模板剂与碳源前驱体的质量比为1至10，分散剂与碳源前驱体的质量比为10至100。

所述碳化方式为将成型后的粉末在真空气氛或氮气气氛或惰性气体气氛下于700℃至1100℃进行热处理30分钟至5小时。

所述模板除去方式为质量比为1％至40％的氢氟酸或者摩尔浓度为0.1mol/L至5mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡1-48小时。

本发明的有益效果

本发明制备出一种富含微孔、介孔、大孔和微米级孔道的碳材料，该碳材料由于同时含有微孔、介孔和大孔，因此在电化学器件中应用时，一方面其丰富的微孔和介孔可以为电化学反应提供充足的反应界面，另一方面较大的介孔和大孔又可以为反应物提供传质通道，增强传质，因此其在电化学器件中具有广泛的应用，可以显著提高锂空气电池的功率性能。

附图说明

图1实施例1中材料的孔径分布图；

图2实施例4中的电池性能曲线；A电池容量曲线，B电池循环性能曲线。

具体实施方式

表1：

实施例中材料的比表面积，微孔，介孔和大孔孔道分布

实施例1

称取1.6gF127溶解于8g乙醇中，待溶液完全澄清后在加入1.0g0.2M的盐酸，在加入2.08g正硅酸乙酯、5g粒径为250nnm的二氧化硅微球和5.0g质量分数为20％的酚醛树脂，常温下搅拌5小时，形成澄清透明的溶胶。将该溶胶置于表面皿中，让乙醇自然挥发，获得凝胶。将该凝胶于100℃空气气氛中干燥24h后进行碳化。碳化升温速率为1℃/min，升温至900℃并保温5小时。将碳化后产物放入质量分数为10％的氢氟酸溶液中浸泡24h，然后进行过滤、洗涤和干燥，即得到最终产物。