[发明专利]一种高比表面积层次孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种利用活化技术制备的高比表面积层次孔炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

作为一类新颖的纳米炭材料，层次孔炭材料以兼具微孔、中孔和大孔三元孔径合理分布的独特空间结构特点，已在材料科学领域引起了广泛的关注。目前层次孔炭材料的合成通常采用模板法或者模板-活化联合法，这严重地限制了它的工业应用前景。主要原因在于：(1)软模板剂(例如PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物)价格昂贵；(2)用作硬模板剂的纳米二氧化硅或者其它材料通常需预先制备且工艺繁琐，成本高。

最近，中国专利CN 101698477B(申请号200910193797.0)通过在苯乙烯系聚合物间构筑羰基交联桥，实现了层次孔炭材料的免模板法制备。这种具有独特纳米结构的新型层次孔炭材料由基元炭颗粒构成，基元炭胶体颗粒内部含有三维网络微孔(＜2nm)，基元炭胶体颗粒相互堆叠形成三维网络中孔(2～50nm)和大孔(＞50nm)，各层次纳米孔道紧密相连。研究表明，通过中/大孔通道相互连通的微孔网络，非常有利于电解质离子的进入，从而具有快速的离子转移能力和高效的电化学活性表面，因此，这些层次孔炭材料的储电性能，尤其是其功率特性，明显优于传统电极材料(例如有序中孔炭、活性炭及炭气凝胶等)，在超级电容器等领域中显示出巨大的应用前景。然而，该材料存在亟待解决的结构缺陷：炭骨架孔隙率低，缺乏足够的电化学储能活性位点。聚苯乙烯基层次孔炭材料炭骨架上仅含有少量来源于三维网络型微孔结构中的微孔，比表面积仅为500～800m²/g，炭骨架所占空间很难被利用来储存电荷，不利于能量密度的提高。因此，采用简单、有效的工艺方法，在保持中/大孔网络炭骨架完好的前提下，增多炭骨架上孔洞的数量，进而提高聚苯乙烯基层次孔炭的比表面积以增加电化学储能活性位，最终获得高能量/高功率密度储能纳米炭材料，具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种高比表面积层次孔炭材料的制备方法。该方法以廉价易得的聚苯乙烯为原料，制备工艺简单易行。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的高比表面积层次孔炭材料。

本发明的再一目的在于提供上述高比表面积层次孔炭材料的应用。该高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料可用于制备高能量密度/高功率密度电化学电容器的电极材料。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)将线性聚苯乙烯加入无水四氯化碳中，搅拌至线性聚苯乙烯完全溶解，得到聚苯乙烯四氯化碳溶液；

(2)将无水三氯化铝置于反应容器中，加入无水四氯化碳，回流溶解后，加入步骤(1)所得聚苯乙烯四氯化碳溶液，搅拌条件下加热回流进行Friedel-Crafts反应；

(3)加入乙醇/水混合溶剂终止Friedel-Crafts反应，过滤得到固体产物，经洗涤、过滤和干燥后，得到层次孔聚苯乙烯材料；

(4)将步骤(3)所得层次孔聚苯乙烯材料置于炭化炉中，在惰性气体气氛下加热炭化，得到聚苯乙烯基层次孔炭材料；

(5)将聚苯乙烯基层次孔炭材料与KOH在水/乙醇溶液中充分混合，将混合物干燥；

(6)将步骤(5)所得的混合物置于活化炉中，在惰性气体气氛下加热进行高温活化，活化产物经洗涤、过滤和干燥后，得到高比表面积聚苯乙烯基层次孔炭材料。

所述步骤(1)至步骤(3)中线性聚苯乙烯∶无水三氯化铝∶无水四氯化碳∶乙醇/水混合溶剂的用量配比为0.2～10g∶3～24g∶100～400ml∶100～200ml，其中步骤(1)中无水四氯化碳的用量为6～300ml。

所述步骤(5)中聚苯乙烯基层次孔炭材料：KOH的用量配比为1g∶0.5～8g。

所述活化条件为以2～5℃/min的升温速率升温至500～900℃，炭化2～6h。

为了更好地实现本发明，所述步骤(2)中回流装置带有装载无水氯化钙的干燥管；所述回流溶解是在30～75℃回流溶解20～80min；所述Friedel-Crafts反应的条件为在30～75℃下反应2～72h。