[发明专利]一种多孔碳超结构材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种多孔碳超结构材料的制备方法。属于材料制备科学技术领域。选择三聚氯氰和2，6‑二氨基蒽醌在乙腈溶剂中发生亲核取代反应生成聚合物前驱体，经过同步碳化/化学活化后制得多孔碳超结构材料。本发明制备工艺简单、无需复杂苛刻的实验条件，所制备的碳超结构材料具有超高的比表面积，分级多孔结构，以及氮、氧杂原子，这些特征增强了碳超结构材料的界面润湿性，提供了离子快速传输通道，并能产生显著的法拉第反应以贡献赝电容，其作为超级电容器电极材料时，展现了优异的比电容，显著的倍率性能以及优越的循环稳定性，是理想的超级电容器电极材料。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳超结构材料的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

为了解决全球化石燃料枯竭和环境恶化的问题，发展可持续高效的储能技术和装置已成为迫切需求。碳基超级电容器作为一种最有发展前景的储能器件，由于具有充放电速度快、功率密度高、使用寿命长等优点，近年来已广泛应用于数码相机、全电动汽车、脉冲激光等领域。电极材料是超级电容器的关键组成部件，在各种电极材料中，碳材料因其导电性高、化学性质稳定、环境友好、孔结构参数和形貌可调等突出优点而被广泛使用。为了提高超级电容器的能量存储性能，许多研究致力于开发出先进的碳电极材料。

碳超结构材料作为一种新型碳材料，具有规则的三维结构，可以继承其单元构建体的基本属性，并获得额外的结构优势，例如表面结构精巧、内部孔隙发达、机械强度高、杂原子含量丰富、热稳定性良好、化学性质稳定以及电子传导速率高等诸多优点，在能源存储、催化剂载体药物传输、光电器件等领域有着广阔的应用前景。发明名称为“一种具有碳超结构的材料、制备方法以及应用”(中国发明专利，申请号201910890355.5)报道了碳超结构的制备及其在能源存储领域中的应用。然而，制备具备超结构形态的碳材料是有挑战性的。迄今为止，仅报道了几种关于碳超结构的合成方法。这些方法通常需要多步反应和繁琐组装过程、或涉及复杂模板使用和后续刻蚀步骤的复杂工艺来制备聚合物前驱体，极大程度上限制了实际应用。例如，发明名称为“一种用于制备多功能碳花型物和其它超结构的新型聚丙烯腈体系”(中国发明专利，申请号201980048681.X)提供了一种制造聚丙烯腈纳米结构化碳超结构形状的方法，其制备过程为：通过使用单体丙烯腈和引发剂偶氮二异丁腈在有机溶剂中进行自由基聚合来形成聚丙烯腈超结构形状聚合物前驱体，经高温碳化聚合物前驱体后获得超结构碳材料。然而，该方法涉及易爆试剂偶氮二异丁腈的使用，对人体有害且污染环境；聚合过程中反应器内部压力会迅速增加，对反应器的要求较高。因此，碳超结构材料的简单高效制备方法亟待发展。

发明内容

本发明的目的在于公开一种多孔碳超结构材料的制备方法。用本发明的方法制备的碳超结构材料具有表面结构精巧、比表面高、内部孔隙发达、杂原子含量丰富、热稳定性良好等诸多优点，可作为理想的超级电容器电极材料。

为达上述目的，本发明选择三聚氯氰和2，6-二氨基蒽醌在乙腈溶剂中发生亲核取代反应生成聚合物前驱体，经过同步碳化/化学活化后制得多孔碳超结构材料。该法制备过程简单、无需复杂苛刻的实验条件，所制备的碳超结构材料具有超高的比表面积，分级多孔结构，以及氮、氧杂原子。这些特征增强了碳电极界面润湿性，提供了离子快速传输通道以实现高速率性能，产生显著的法拉第反应以贡献赝电容，其作为超级电容器电极材料时，展现了优异的比电容，显著的倍率性能以及优越的循环稳定性。

具体制备工艺是按如下步骤进行的：

按1：0.9～3.9：50～200质量比依次称取三聚氯氰、2，6-二氨基蒽醌和乙腈，先将三聚氯氰和2,6-二氨基蒽醌溶于乙腈中混合均匀，在300～800转/分的搅拌速度下，于30～80℃反应360min，过滤、乙醇洗涤、干燥后得到聚合物前驱体，将聚合物前驱体与氰酸钠以1：0.5～3的质量比混合，置于管式炉中，惰性气体保护，按2～20℃min^-1的升温速率加热到600～1000℃碳化，恒温2～3h，自然降温至室温，即得多孔碳超结构材料。

本发明具有如下优点：