[发明专利]一种具有多尺度孔结构的三维中空碳泡沫电极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，更具体的涉及一种具有多尺度孔结构的三维中空碳泡沫电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

为解决日趋短缺的能源问题和日益严重的环境污染问题，新能源的开发和利用已成为当下研究的热点。在新能源技术的研究领域中，电化学储能装置由于具有使用方便，性能可靠，便于携带，容量、电流和电压可在相当大的范围内任意组合和对环境无污染等许多优点，受到广大科研人员的青睐。然而，要促进电化学储能装置的广泛应用，必须开发出更加优良的储能材料，才能满足使用中的各项需求。

在所有的储能材料中，多孔碳材料由于具有大的比表面积，均匀的孔径分布，孔结构可调等优点，是迄今为止最理想的储能材料。近年来，多孔碳材料由于具有较大比表面积、丰富孔结构、良好的热稳定性和优异的化学惰性等特点引起了科学家的关注，并已广泛应用于催化、吸附，储氢和色谱分离等领域。但随着研究的深入，科学家发现微孔在提供吸附位的同时，也增加了分子的扩散阻力，从而阻碍分子的扩散；介孔减少了扩散阻力，但不能提供更多的吸附位。因此，具有单一孔道结构的多孔碳材料已不能满足更多领域上的一些应用，迫切需要研究多级微介孔碳材料的制备与应用以满足电化学储能器件电极材料的各方面需求。

目前，具有多尺度孔结构的三维碳材料的制备方法主要有活化法、模板法和自组装法这三类。其中，模板法由于其可通过调节不同模板的结构，得到具有不同孔隙结构的产物而被广泛使用。但对于现有的模板法制备多尺度孔结构的碳材料的技术，由于以下缺点严重阻碍了碳材料的大规模产业化：(1)模板材料的制备方法繁琐；(2)原材料成本高；(3)反应条件苛刻，甚至在有毒环境下进行；(4)碳材料孔径分布不均匀，比表面积不高；(5)多孔材料空隙利用率过低；(5)去除模板材料的方法过于复杂，耗费成本；(6)不利于大规模生产。因此，开发出更简易、可规模化的多尺度孔结构碳材料制备方法对于促进多尺度孔结构碳材料的商业化以及电化学储能技术的稳步发展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多尺度孔结构的碳电极材料及其制备方法和应用，以解决现有传统方法制备多尺度孔结构碳电极材料时合成步骤繁琐、耗时长、原料毒性大、比表面积和孔容较小及孔径分布不均等问题，很大程度上降低多尺度孔结构碳材料制备的成本，同时本方法制备的具有不同尺度孔结构的多孔碳材料能够明显地提高多孔碳材料的电化学性能，促进多尺度孔结构碳材料的大规模应用及其商业化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有多尺度孔结构的三维中空碳泡沫电极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一)配制反应剂，所述反应剂包括氧化剂和燃料，将氧化剂和燃料按照1:1～1:2的摩尔比混合，并加入去离子水，充分搅拌，使反应剂完全溶解，得到反应溶液；

步骤二)将反应溶液加热至溶液沸腾，直至得到黄色粘性胶状产物；

步骤三)将黄色粘性胶状产物置于马弗炉中，以400～600℃进行退火处理，经过2～4h到具有多尺度孔结构的灰白色固态产物；

步骤四)将灰白色固态产物置于管式炉中，以保护气体为载气将乙醇匀速载入管式炉，炉温保持在400～700℃进行乙醇催化分解反应，经过2～4h后完成以灰白色固态产物为模板的碳均匀包覆过程；

步骤五)向管式炉中通入氢气，炉温升至600～800℃通过氢气还原和蒸发的过程将所使用的模板去除，保温至模板材料被完全去除即得到目标产物：多尺度孔结构的三维中空碳泡沫。

优选的，步骤一)中，所述氧化剂为硝酸盐，所述燃料为含碳有机物。

优选的，所述含碳有机物包括柠檬酸、尿素、蔗糖、氨基酸中的至少一种。

优选的，步骤一)中，所述氧化剂与燃料的摩尔比为1:1～1:1.5。

优选的，步骤四)中，所述保护气体为氮气或惰性气体。

优选的，在步骤四)中，氮气和乙醇环境下以500℃进行碳包覆过程，保温时间为3h。

优选的，在步骤五)中，所述氢气混合有保护气体，保护气体为氮气或惰性气体；氢气体积占总气体体积的5％～30％；炉温升至800℃进行模板材料的去除过程，保温至模板材料被完全去除。炉温为600-900℃均可。

优选的，加热的过程中，升温速率均为为3～5℃/min。

一种由上述具有多尺度孔结构的三维中空碳泡沫电极材料的制备方法制得的具有多尺度孔结构的三维中空碳泡沫。

一种由上述方法制备的具有多尺度孔结构的三维中空碳泡沫在超级电容器电极材料中的应用。