[发明专利]一种自支撑多孔碳电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种自支撑多孔碳电极材料制备方法，属于电极材料制备技术领域。具体方法为：将丙烯酰胺、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、四硼酸钾、化学活化剂溶于水中得到混合溶液，再加入引发剂，然后在65～75℃下自由基聚合反应得到水凝胶，将水凝胶冷冻干燥制成干凝胶，干凝胶再经过碳化、水洗及干燥即得到自支撑多孔碳电极材料。本发明从丙烯酰胺小分子原料开始，通过自由基聚合、冷冻干燥、碳化等步骤得到自支撑多孔碳材料，可方便地通过反应条件对制备的多孔碳结构和性能进行调控，制备过程简便易控，得到的多孔碳电极材料比表面积大，具有优良的电容性能。

技术领域

本发明涉及电极材料制备技术领域，具体涉及一种自支撑多孔碳电极材料制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染是人类面临的两大挑战，新能源的开发和利用是解决这两大难题的金钥匙。然而太阳能、风能等新能源普遍具有波动性大的特点，高效的能源储存和转换装置是新能源利用的关键。超级电容器是最有发展潜力的新型储能器件之一，具有功率密度高、充放电迅速、循环寿命长等许多优点。研究性能优异的电极材料对于超级电容器的发展具有重要意义。

碳材料具有导电性好、化学性质稳定等优点，是目前超级电容器最广泛使用的电极材料。各种各样的富碳物质被用于碳电极材料的制备，包括碳纳米管、石墨烯、酚醛树脂、生物质等。虽然碳纳米管具有优异的理化性能，但其相对较小的比表面积限制了其作为高性能超级电容器电极材料的应用；石墨烯由于较强的层间范德华力而极易发生层间堆叠，导致实际比电容较低，昂贵的价格也是限制其应用的重要障碍；通过酚醛树脂制备碳气凝胶得到了深入研究，然而，碳气凝胶的孔结构对酚醛树脂合成过程中反应体系的pH值十分敏感，合成特定结构的碳气凝胶需要对pH值进行精确控制，增加了制备的难度，而且，酚醛树脂合成原料的强烈毒性对环保非常不利；通过生物质制备多孔碳电极材料吸引了众多关注，但是，生物质的组成和结构受来源和个体差异的影响很大，使得制备的多孔碳材料性能稳定性难以保证。因此，研究通过新型碳源，通过简便易控的方法制备高性能碳基电极材料成为超级电容器研究的重要课题。

另一方面，目前制备的大多数具有高比表面积的多孔碳材料为粉末状，与粉末状碳材料相比，自支撑的碳材料具有显著的优势。自支撑多孔碳材料具有一定的力学强度，可以不依赖任何支撑物保持一定外形，在制作电极时更加方便，不需要添加粘结剂和涂浆方式，避免了粘结剂和其他添加剂引起的较大接触电阻以及活性材料与电解液有效接触面积降低等不利因素。此外，自支撑多孔碳材料也为赝电容材料在其表面的负载提供了有利条件。现有技术中已有一些关于自支撑多孔碳材料的介绍，例如：申请号为201611192154.0的中国发明专利公开了一种自支撑介孔碳的制备方法，以自支撑片状MFI分子筛为硬模板，将糠醛和草酸溶于乙醇，经干燥、预碳化、碳化后得到自支撑介孔碳材料；申请号为201710175633.X的中国发明专利公开了一种自支撑柔性氮掺杂碳海绵的制备方法，是以商业化三聚氰胺海绵为原料，一步热解制备；申请号为201910383857.9的中国发明专利公开了一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，自支撑多孔碳通过直接碳化石楠木等具有天然孔结构的木头制备。这些自支撑多孔碳的制备工艺中，一般都需要使用模板剂，因此工艺中涉及模板剂的制备和去除步骤，比较繁杂，并且由于是采用商业化自支撑高分子材料或生物质直接碳化制备的多孔碳，因此难以对多孔碳结构和性能进行调控。

发明内容

本发明的目的是解决上述背景技术中的不足，提供一种自支撑多孔碳电极材料的制备方法。本发明制备方法中不使用模板剂，无需模板剂制备和除去的复杂步骤，也克服了从商业化自支撑高分子材料或生物质直接碳化难以对多孔碳结构和性能进行调控的缺点。

技术方案

本发明以丙烯酰胺为原料，通过丙烯酰胺自由基聚合得到凝胶，在聚合前将化学活化剂、四硼酸钾加入反应体系，使得化学活化剂和四硼酸钾被均匀包埋在凝胶中，再通过高温碳化得到多孔碳，由于四硼酸钾的加入，制备的多孔碳为自支撑的。本发明的自支撑多孔碳制备方法碳化、活化一步实现，工艺简单，制备的多孔碳为自支撑，比表面积大，具有优异的电容性能。具体方案如下：