[发明专利]一种具有石墨化结构的多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种具有石墨化结构的多孔碳材料及其制备方法与应用，将碳源与催化剂和碱性活化剂充分混合均匀，经热处理得到具有石墨化结构的多孔碳材料；催化剂为金属氧化物或金属氢氧化物。本发明采用金属氧化物或者金属氢氧化物作为催化石墨化的催化剂，碳源能够均匀分散在催化剂表面，经高温碳化过程有助于实现碳材料的石墨化，提升碳材料的导电性和催化剂的利用率。同时，金属氧化物或者金属氢氧化物可以促使碳源在热处理过程中形成多孔结构，增大比表面积。所制备的具有石墨化结构的多孔碳材料作为超级电容器电极材料，具有比电容高、倍率特性好、循环寿命长等优点。

技术领域

本发明属于碳材料制备及新能源技术领域，涉及一种具有石墨化结构的多孔碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

纳米碳材料由于具有导电性高、结构稳定、价格低廉、绿色环保等突出优势，在能源、化工、环境等领域展现出广阔应用前景。特别是在超级电容器、锂离子电池等新能源器件储能方面，纳米碳材料作为电极材料发挥重要作用。常用的纳米碳材料主要以多孔活性炭为主，也是目前商业化应用最为广泛的一种电极材料。这类碳材料具有超高的比表面积和孔隙率，可以有效加强电解液离子在其表面的吸附和脱附过程，进而提升其电化学性能。然而，当前制备的多孔碳材料多以无序或无定型结构形式存在，在一定程度上限制了电子在其内部的快速传输，进而影响了电极材料的倍率性能。此外，这类多孔碳材料的制备通常也存在残碳率低、成本高、制备过程耗时等问题，不利于规模化应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有石墨化结构的多孔碳材料及其制备方法与应用，采用金属氧化物或金属氢氧化物作为催化剂进行催化石墨化，制备得到具有石墨化结构的多孔碳材料，该碳材料具有比表面积大、导电性高等优点，用作超级电容器等储能器件的电极材料表现出优异的电化学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有石墨化结构的多孔碳材料的制备方法，将碳源与催化剂和碱性活化剂充分混合均匀，经热处理得到具有石墨化结构的多孔碳材料；催化剂为金属氧化物或金属氢氧化物。

优选的，催化剂中的金属元素为铁、钴、镁和铝的一种或多种。

优选的，碱性活化剂为氢氧化钾或氢氧化钠。

优选的，碳源为石油或煤化工过程中产生的固体残渣，制备方法具体包括以下步骤：

步骤1，将石油或煤化工过程中产生的固体残渣破碎，研磨成粉末，与催化剂和碱性活化剂充分混合均匀，得到混合物粉末；

步骤2，将步骤1得到的混合物粉末在惰性气氛下进行两次煅烧，先升温至120℃～250℃进行一次煅烧，再升温至700℃～1200℃进行二次煅烧，得到反应产物；

步骤3，将步骤2得到的反应产物经洗涤、烘干、研磨，制得具有石墨化结构的多孔碳材料。

进一步的，步骤1中，固体残渣、催化剂和碱性活化剂的质量比为1:(1～10):(1～5)。

进一步的，步骤2中，一次煅烧时间为0.5～1小时，二次煅烧时间为0.5～3小时。

进一步的，步骤2中，两次煅烧的升温速率均为2～10℃/min。

进一步的，步骤3中，洗涤是采用酸洗和水洗，直至洗涤至中性。

所述的制备方法制备得到的具有石墨化结构的多孔碳材料。

所述的具有石墨化结构的多孔碳材料作为电极材料在储能器件中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：