[发明专利]一种层级孔道炭纳米片及其制备方法和应用

说明书

一种层级孔道炭纳米片及其制备方法和应用，室温条件下，炭源、金属盐和氯化钠混合加入蒸馏水中，磁力搅拌使炭源和金属盐完全溶解，随后蒸干溶剂；所得样品置于管式炉中，氮气保护下逐渐升温至活化温度，通入活化试剂，并在此温度下活化一段时间，再在氮气氛围下冷至室温；黑色固体依次用蒸馏水、酸溶液、蒸馏水洗涤，直至无金属盐和NaCl为止，干燥后即得层级孔道炭纳米片。所制得的材料具有层级孔道分布，厚度在纳米级可调，用作超级电容器电极材料时具有优异的倍率性能。

技术领域

本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种层级孔道炭纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

多孔炭材料因为具有化学性质稳定、比表面积大、形貌和孔径可调控、成本低廉以及环境友好等优点而受到人们的关注，被广泛的应用于能源存储、环境保护、石油化工、生物制药及食品工业等领域。

孔道结构及孔径分布是影响多孔炭材料应用性能的关键因素之一。层级孔道炭材料的特点是具有大孔框架，中孔通道和微孔纹理结构。一般来说，多孔炭材料的大孔可以作为溶液或离子的缓冲区，中孔作为离子传输通道，微孔则提供比表面积和反应场所。因为具有这些特点，层级孔道炭材料成为人们研究的热点，尤其是在超级电容器电化学能源存储领域。炭材料的层级孔道结构一般通过分级活化法来获得，该技术需要变换不同的活化试剂，具有反应条件苛刻、工艺复杂、环境污染隐患较大等问题，限制了此类炭材料未来的应用和发展。此外，也可以通过模板法来制备层级孔道炭材料，然而这种方法需要昂贵的模板剂，硬模板的去除往往需要强腐蚀性的氢氟酸，工艺复杂且成本高昂，难以规模化应用。

形貌是影响多孔炭材料应用性能的另一关键因素。炭纳米片是一种厚度为纳米级的二维炭材料，因为具有高的表面积与体积比，良好的导电性、可控的片层厚度以及开放的孔隙结构而受到人们的重视。制备炭纳米片的方法主要包括机械剥离法、模板法、自组装法和化学气相沉积法等。这些方法普遍存在工艺复杂耗时、成本高、易对环境造成污染等缺陷。

超级电容器是一种具有功率密度大、充电时间快、使用寿命长、温度特性好、绿色环保和使用安全的绿色储能元件。炭材料是最为常用的超级电容器电极材料。层级孔道炭材料的大孔可以作为离子缓冲区域，介孔有利于离子传输，而微孔则使电荷储存最优化，以其为电极材料的超级电容器往往具有较高的比电容和优异的倍率性能。炭纳米片具有巨大的表面体积比，可以提高与电解液的接触面积，缩短电解液的扩散路径，同时还能提供连续的电子传导路径和应变驰豫，也是一种优异的超级电容器电极材料。然而，一般来说层级孔道炭材料往往为球状或块状，炭纳米片则多以微孔为主，具有层级孔道结构的炭纳米片的制备方法还不成熟。因此，寻找一种工艺简单、成本低廉、绿色环保、易规模化生产的层级结构炭纳米片的制备方法成为当前的研究趋势。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种层级孔道炭纳米片的制备方法和应用。以廉价的氯化钠为分散剂和模板剂，金属盐为催化剂和占位试剂，水溶性生物质为炭源，热解活化并洗除模板和占位试剂得到具有层级孔道结构的炭纳米片。

层级孔道炭纳米片的制备方法，该方法具有工艺简单、成本低廉、绿色环保和易规模化生产的特点。通过该方法制备炭炭纳米片具有层级孔道分布，厚度在纳米级可调，用作超级电容器电极材料时具有优异的倍率性能。

技术方案：一种层级孔道炭纳米片的制备方法，步骤包括：炭源、金属盐和氯化钠混合加入蒸馏水中，所述炭源、金属盐和氯化钠的质量比为1: (0.2~0.6): (3~5)，氯化钠与蒸馏水的质量比为1: (1~3)，室温磁力搅拌使其完全溶解，随后蒸干溶剂；所得样品置于管式炉中，氮气保护下逐渐升温至活化温度600~750 ℃，升温速率为1~10 ℃/min，通入活化试剂，并在活化温度下活化2~6 h，再在氮气氛围下冷至室温得黑色固体；所得黑色固体依次用蒸馏水、酸溶液、蒸馏水洗涤，直至无金属盐和NaCl为止，100~300 ℃干燥后即得层级孔道炭纳米片。