[发明专利]孔径分级分布的部分石墨化多孔碳电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种孔径分级分布的部分石墨化多孔碳电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器，是介于传统物理电容器和二次电池之间的一种新型储能器件。由于超级电容器相对于传统二次电池具有功率密度高、循环寿命长等优点，其作为电子设备和电动汽车的电源具有广泛的应用前景。

活性炭因具有较高的比表面积和孔隙率，且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉，能大规模生产的优点而成为超级电容器的首选电极材料。目前活性炭作为电极材料的超级电容器已经实现商品化，并在诸多领域得到了广泛的应用。

由于活性炭电导率低，介孔比例低，以活性炭做电极的超级电容倍率性能较差。经过石墨化处理的活性炭和无定形活性炭相比具有高得多的电导率，因此适合在大电流密度下工作，即其在高速充放电过程中仍然保持较高的比电容。以石墨化活性炭做电极的超级电容器在保持较高能量密度的前提下，具有更高的功率密度，即大电流充放电的能力。因此石墨化活性炭更适合作功率型超级电容器的电极材料。

Zhongli Wang等人采用糠醇做碳源，硝酸钴和硝酸铁做石墨化催化剂，经过高温处理得到石墨化的碳材料，这种碳电极材料在高电流下表现出较高的电容保持率，但是采用这种方法制备石墨化活性炭需要用到HF，对环境存在潜在威胁（CARBON49(2011)161–169）。苏党生等人采用酚醛树脂做碳源，采用聚苯乙烯微球和F127做模板，以氯化镍做石墨化催化剂制备出石墨化介孔碳，但是得到的石墨化介孔碳倍率性能较差，如该材料在200mV/s下的比电容仅有47F/g（ChemSusChem2012,5,563–571）。

采用介孔分子筛SBA-15作模板，可以制备出微观结构规整的有序介孔碳。由于SBA-15为惰性模板，采用此方法制备的介孔碳材料具有无定形结构，电导率偏低，不能用作大工作电流密度超级电容器的电极材料。本发明采用介孔过渡金属氧化物这种双功能活性模板来制备碳材料，在碳化的过程中，过渡金属氧化物起到催化石墨化的作用。即介孔过渡金属氧化物不但起到模板的作用，在碳材料中形成介孔，而且起到催化剂的作用，提高碳材料的石墨化程度进而提高其导电性，从而使制备的碳电极材料既具有较高的比电容，又表现出优异的倍率性能。采用本方法制备的部分石墨化的碳电极材料，具有孔径分级分布的特点，是一种有着广泛应用前景的超级电容器高倍率电极材料。

发明内容

本发明的目的在于解决活性炭材料电导率和介孔率偏低的问题，提供了一种孔径分级分布的部分石墨化多孔碳电极材料及其制备方法。具体为采用介孔过渡金属氧化物作为双功能活性模板，蔗糖或酚醛树脂作碳源，制备孔径分级分布的部分石墨化多孔碳。在高温炭化石墨化过程中，介孔金属氧化物既起到模板的作用（生成分级多孔结构），又起到催化剂的作用（提高材料的石墨化程度，从而改善其导电性）。采用本发明方法制备的碳电极材料具有高的比表面、高介孔比例和较高的石墨化程度。用本发明所涉及的孔径分级分布的部分石墨化的多孔碳作电极的超级电容器具有更高的倍率性能，即在大电流密度下仍然能保持较高的能量密度。

本发明提供了一种孔径分级分布的部分石墨化多孔碳电极材料，该多孔碳电极材料是以介孔过渡金属氧化物作双功能活性模板，蔗糖或酚醛树脂作碳源，经高温处理得到。

本发明还提供了所述的孔径分级分布的部分石墨化多孔碳电极材料的制备方法，该方法的步骤如下：

（1）采用介孔硅分子筛SBA-15做模板，过渡金属盐作填充材料制备有序介孔过渡金属氧化物；具体方法是:首先将过渡金属盐用乙醇溶解，然后在过渡金属盐乙醇溶液中加入一定量的SBA-15，加热搅拌至乙醇完全蒸发；其中，过渡金属盐和SBA-15的质量比为1:10-10:1；

（2）步骤（1）得到的产物在马弗炉中进行焙烧，焙烧温度为200-1000℃，焙烧恒温时间为0.5-10h；然后将焙烧产物中的SBA-15用碱溶液除去，得到介孔过渡金属氧化物；

（3）用蔗糖对介孔过渡金属氧化物孔隙进行填充；具体步骤为：首先将一定量蔗糖溶解于水中，配制成蔗糖水溶液，然后将介孔过渡金属氧化物加入到上述蔗糖水溶液中进行浸渍，对得到的浸渍产物进行干燥；蔗糖与介孔过渡金属氧化物的质量比为10:1到1:10。

（4）重复步骤（3），对介孔过渡金属氧化物进行二次浸渍和干燥；