[发明专利]一种基于反应模板的多级孔碳基材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于多孔碳基材料技术领域，具体涉及一种基于反应模板的多级孔碳基材料及其制备方法和应用。所述基于反应模板的多级孔碳基材料主要含C和O元素，具有较高的石墨化程度，珊瑚礁状形貌和三维孔道结构，其孔径分布在0.5～4.1nm，孔容为0.94～1.28cm³g^‑1，比表面积为900～2000m²g^‑1；所述多级孔碳基材料是碱式碳酸盐、碳前驱体和碳酸盐通过固相混合‑惰性气体保护下碳化‑酸处理‑干燥而得到。本发明不但作为对称超级电容器电极材料比电容高、倍率性能高、循环稳定性好，可实现在碱性电解质中高效持久充放电，而且原材料成本低廉、制备方法简单可控、工艺步骤灵活、易于规模化生产。

技术领域

本发明属于电催化中非贵金属催化剂技术领域，具体涉及一种基于反应模板的多级孔碳基材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器，又被称为电化学电容器。这种新的储能装置不仅比传统电容器具有更高的能量密度，也比电池具有更高的功率密度，其综合性能介于传统电解质电容器和电池之间。由于超级电容器独特的储能方式如能够在很短时间内储存和释放大量、更快的充放电速率以及优异的循环稳定性，其在储存太阳能、风能等间歇性脉冲能源方面将具有很大的应用前景，近年来倍受青睐。尽管如此，但由于其能量密度低、电势区间较窄等缺点，超级电容器短时间内仍无法替代锂电池，目前超级电容器和锂电池主要是互补的关系。因而进一步提高超级电容性能，降低成本将仍是超级电容器研究的主要方向。超级电容器主要由电极材料、隔膜和电解质组成，要进一步提升其性能，电极材料的研究是关键。

碳材料兼具可调控孔径、大比表面积、优异的导电性、良好的稳定性和低廉的价格等特点，使其在超电容、电池等新能源领域具有非常大的应用潜力。目前多孔碳的制备方法主要分为两类：模板法和活化法。一般传统模板法如采用二氧化硅等材料作为牺牲硬模板制备的碳材料存在孔径单一，微孔含量低、碳材料纯度低、工艺复杂，制备成本高等问题，且用来刻蚀模板的酸或碱，不仅对人体有危害也会对环境造成污染。而通过常用的KOH活化法制备的碳材料存在孔径尺寸小、得率低等问题，且KOH具有强的腐蚀性。这些缺点使得多孔碳材料的制备受到很大的限制，不易规模化生产。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于反应模板的多级孔碳基材料，该多级孔碳基材料电极材料不仅具有高的石墨化程度，而且又具有微-介孔多级孔结构和超高的比表面积。

本发明的目的之二是提供了所述基于反应模板的多级孔碳基材料的制备方法，该制备方法简单可控、原材料成本低廉、工艺步骤灵活、易于规模化生产。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于反应模板的多级孔碳基材料，所述基于反应模板的多级孔碳基材料主要含C和O元素，其孔径分布在0.5～4.1nm，孔容为0.94～1.28cm³ g^-1，比表面积为900～2000m² g^-1；

所述基于反应模板的多级孔碳基材料由碳前驱体、碱式碳酸盐和碳酸盐制备而得，所述碳前驱体、碱式碳酸盐和碳酸盐之间的质量比为2:0.5～4:0.5～4。其中碱式碳酸盐和碳酸盐分别作为反应模板和多孔激活剂。

较佳地，所述碳前驱体为葡萄糖、壳聚糖、甲基纤维素、可溶性淀粉、EDTA二钠、EDTA铁钠和草酸铁中的一种或几种组合物。

较佳地，所述碱式碳酸盐为碱式碳酸锌、碱式碳酸镁、碱式碳酸镍或碱式碳酸铁中的一种或几种组合物。

较佳地，所述碳酸盐为碳酸钾、碳酸氢铵或尿素中的一种或几种组合物。

基于反应模板的多级孔碳基材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按配比取所述碳前驱体、碱式碳酸盐、碳酸盐通过固相机械的混合方式进行充分的混合，得到固体粉末A；