[发明专利]一种氧化剂氧化还原制备石墨化分级多孔碳材料的方法

说明书

本发明公开了一种氧化剂氧化还原制备生物质基石墨化分级多孔碳材料的方法，它包括氧化剂和生物质前驱体，其中氧化剂与生物质前驱体质量比为大约0.5:1.0~10:1.0。称取定量的氧化剂和生物质前驱体进行混合均匀，再按氧化剂与水的质量:体积比0.01:1.0~1.0:1.0(g/ml)称取确定体积的水与前驱体氧化剂混合均匀，煮沸蒸干，惰性气氛保护下同步碳化活化，再经盐酸洗和水洗，即得石墨化分级多孔碳材料。本发明还公开了由该方法制得的分级多孔碳作为超级电容器电极材料。

技术领域

本发明属于多孔碳材料制备技术领域，具体公开了以氧化剂为活化剂，通过氧化剂溶液处理碳化前驱体，经干燥、同步碳化和活化制备石墨化微孔-中孔复合分级多孔碳材料的方法，充分利用氧化剂与碳化前驱体之间进行的氧化还原反应，达到了分级造孔的目的。

背景技术

目前，常规制备多孔碳的方法是先碳化后活化，活化是其关键步骤，其产物多孔碳具有典型的微孔特征。活化主要有物理活化法、化学活化法和模板法三种工艺，物理活化法是以H₂O与CO₂等气体为造孔活化剂，在700 ℃以上，持续通入活化气体对碳化前驱体进行刻蚀活化制得多孔碳材料，如公开号为CN101397136A、CN104591183A的发明专利均采用物理活化法制备多孔碳。化学活化法是以KOH、NaOH、K₂CO₃、Na₂CO₃、ZnCl₂、H₃PO₄等化学试剂为活化剂，将前驱体与活化剂按设定质量配比，两者混合均匀，经高温活化处理，经酸洗、水洗、干燥即得微孔碳材料，如公开号为CN102502628A、CN101332992A、CN102718213A、CN103408012A、CN103449433A的发明专利，均采用不同的化学活化剂制备多孔碳。模板法是以具有特定形貌的材料为模板，将有机物注入模板，经高温处理后，采用特定方法移除模板制得与模板结构相似的多孔碳。模板种类繁多，其中，硬模板因其可以较好的控制孔结构，是目前最常用的一类模板，如公开号为CN1724344A、CN102976305A、CN105664848A的发明专利，采用硬模板制备多孔碳材料。常见的硬模板有介孔氧化硅、沸石等，采用硬模板制备多孔碳时，需要使用HF、强碱等化学试剂来移除硬模板，该法对环境有一定污染。软模板法也是常采用的方法，常用软模板有嵌段共聚物、离子胶团、结构特殊的表面活性剂和有机化合物等，相对于硬模板，移除软模板比较容易，在高温碳化或活化过程中，即被热解挥发脱除了，但是该法成本相对较高，如公开号为CN103833003A、CN105692583A的发明专利，即采用了不同软模板制备多孔碳材料。依据不同的制备方法，其所制备的多孔碳的结构、物理化学性质及其吸附性能有很大差异，因此研究多孔碳材料制备新技术具有广泛的应用前景。

目前，利用氧化剂与前驱体间的氧化还原反应来制备多孔碳的研究还鲜见报道。通常，氧化剂在多孔碳的制备过程中多用作表面改性剂，对碳材料进行表面改性，如公开号为CN103626150A、CN104959110A的发明专利使用高锰酸钾对碳材料进行表面改性；公开号为CN102208661A的发明专利使用重铬酸钾对碳材料进行表面修饰，改变材料表面特性。目前仅发现公开号为CN102381703A的发明专利报道了一种用麻杆制备活性碳的方法，其中使用了一种氧化剂—低浓度高锰酸钾(质量浓度为0.2~1.0 %)作为活化剂，将预处理绝干料与活化剂溶液按照质量比1~6:100混合均匀，经干燥、700~900 ℃碳化活化后得粉末活性碳样品。本专利说明书公开了采用系列氧化剂为活化造孔剂，使用高质量比(氧化剂:前驱体重量比)条件，制备石墨化的微孔-中孔分级多孔碳材料的方法。