[发明专利]一种纳米隧道的无定形炭材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学和化学电源领域，具体地说，涉及一种纳米隧道的无定形炭材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器，是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型的储能器件，同时具有二次电池能量密度大和传统电容器功率密度高的优点。除此之外，超级电容器还具有循环寿命长、安全性能好，环境污染小等优点。它在新能源电动汽车、信息技术、国防军工以及一些小型电子设备等方面具有广泛的应用前景。根据不同的电荷储存机理，超级电容器可分有双电层超级电容器和赝电容超级电容器。目前，商业化超级电容器主要是以双电层电容器为主。双电层电容器主要是利用电极和电解液界面形成的双电层来储存能量，它的电极材料主要是炭材料。

炭材料因具有稳定的循环寿命、较高的比表面积和低廉的价格，已被广泛应用于商业化的超级电容器中。炭材料的微观结构与超级电容器的比容量关系复杂。理论上认为炭材料的比表面积越大容量会越高，但实际上比容量还与材料的孔径分布、内阻和表面官能团等有关。许多研究学者对炭材料分级孔中离子的传输和储存（DWWangetal,Angew.Chem.Int.Ed.,2008,47:373－376）、次纳米孔中的储能模型(RMysyketal,Electrochem.Commun.,2009,11:554－556)和孔径匹配(LWangetal,Electrochim.Acta,2007,53:882－886)等双电层储能中理论问题进行研究，从而为炭材料的制备和结构优化提供了很好的指导意义。理想的炭材料应该同时具有高的比表面积、高的堆积密度、高孔隙率和高的性价比。专利号为201010277238.0的专利公开了一种用葡萄糖和发泡剂先通过水热法处理、再高温碳化的方法制备半球状活性炭，实验步骤简单，反应条件较温和。炭材料比表面积可达到851.75m²g^-1，当电流密度为20mAcm^-2时，比电容为267.83Fg^-1。专利号为200510031195.7的专利公开一种高比表面积活性炭的制备方法，以石焦油为原料与KOH混合碳化，制备得到的活性炭比表面积在2000~3000m²g^-1之间，但比电容只有84Fg^-1。

本发明中，通过利用纳米棒状二氧化锰作为模板，合成一种具有纳米隧道的无定形微孔炭。材料具有高的比表面积和孔隙率。由于纳米隧道的宽度介于20~80nm，长度在0.2~3μm之间，说明在材料中存在一些介孔。化学活化之后，炭材料会存在许多微孔。在纳米隧道中离子可以进行液相扩散，大大提高了离子扩散速度，减少传质阻抗，使离子更容易到达微孔，提高了微孔的利用率。微孔的存在利于离子的吸附，从而形成稳定的双电层。此方法合成的炭材料不仅具有良好的电化学电容性能，更重要的是这种方法比较环保、廉价和安全。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种纳米隧道的无定形炭材料及其制备方法，应用在超级电容器中，由于纳米隧道微孔炭结构上的特殊性，从而提高了超级电容器的比容量和比能量。

一种纳米隧道的无定形炭材料，由如下方法制备而成：

（1）在水热的条件下还原高锰酸钾，制备纳米棒状二氧化锰；

（2）将步骤（1）中得到的二氧化锰粉末超声分散在去离子水中，形成均匀的悬浮液；再取生物质碳前躯体和表面活性剂溶解于水中，形成稳定的混合溶液；在一定温度和搅拌的条件下，将二氧化锰悬浮液逐滴加入生物质碳前驱体和表面活性剂的混合溶液中，并恒温搅拌，当混合溶液冷却到室温时，形成稳定的棕褐色水凝胶；

（3）将步骤（2）中得到的水凝胶真空干燥之后，转移到瓷舟内；在管式炉中，惰性气体保护条件下进行碳化；碳化后用酸除去炭材料中的二氧化锰，再用去离子水洗涤几次，然后干燥；

（4）将步骤（3）中的产物与活化剂混合均匀，然后在高温下进行化学活化得到纳米隧道的无定形炭材料。

优选地，所述步骤（1）中还原高锰酸钾的条件如下：水热温度介于120~200℃之间，水热时间是1~20h；所用的还原剂是MnCl₂、MnSO₄或HCl中的一种；高锰酸钾和还原剂的摩尔比在1:1~1:20之间。