[发明专利]冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料及其制备与应用

说明书

本发明涉及冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料及其制备与应用，制备方法包括以下步骤：1)将海藻酸钠溶于水中，并进行搅拌加热，得到海藻酸钠溶液；2)将锌盐水溶液滴入海藻酸钠溶液中，搅拌后得到凝胶；3)将步骤2)中的凝胶进行冻干后粉碎，再进行预碳处理，得到预碳产物；4)将预碳产物进行高温碳化活化，即得到层状多孔碳材料；层状多孔碳材料用于超级电容器中。与现有技术相比，本发明中碳材料的制备过程简单，所制备的生物质基碳材料呈现层状多孔结构，便于后续改性等操作，且原料海藻酸钠来源丰富，价格低廉，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，涉及一种冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料及其制备与应用。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭、全球变暖和环境污染问题的日益突出，世界各国的研究人员不仅致力于开发可再生的清洁能源，如太阳能、风能、潮汐能等，还致力于开发低成本、高性能的储能装置。生物质资源种类繁多，分布广泛，蕴藏量极其丰富且价格低廉，是一种非常重要的可再生资源，利用和开发生物质资源能达到可持续循环的目的。同时，生物质是天然存在的可再生碳元素的载体，将其转化为新型的功能碳材料加以利用，具有很大的发展空间。

超级电容器作为一类高效储能设备，可以提供高的功率密度和极好的循环稳定性，具有发展成接近传统电池能量密度的潜力，因而吸引了人们极大的关注。电极材料是影响超级电容器电化学性能的关键因素之一，主要有以下三种类型：碳材料、过渡金属化合物和导电聚合物。其中，多孔碳材料，特别是活性炭因为其化学稳定性好、质量轻、成本低、电导率高以及对环境友好等特性，是使用最广泛的电极材料。活性炭发达的微孔或介孔孔道以及超高的比表面积，不仅加速了离子迁移的动力学过程，而且可以提供丰富的表面活性电位，这对于超级电容器的高比电容和优异的循环稳定性能来说至关重要。

然而，现有方法制备生物质碳材料的工艺往往存在前体材料不足、材料形貌不佳、制备过程复杂等问题，限制了其进一步应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料及其制备与应用，利用海藻酸钠作为原料，制得的生物质基碳材料呈现层状多孔结构，应用前景广阔。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，该方法包括以下步骤：

1)将海藻酸钠溶于水中，并进行搅拌加热，得到海藻酸钠溶液；

2)将锌盐水溶液滴入海藻酸钠溶液中，搅拌后得到凝胶；

3)将步骤2)中的凝胶进行冻干后粉碎，再进行预碳处理，得到预碳产物；

4)将预碳产物进行高温碳化活化，即得到所述的层状多孔碳材料。

进一步地，步骤1)中，所述的海藻酸钠与水的用量比为2g:(50-70)ml。

进一步地，步骤1)中，搅拌加热过程中，温度为80-100℃，时间为1-2h。搅拌优选为磁力搅拌。

进一步地，步骤2)中，所述的锌盐为醋酸锌；所述的锌盐水溶液中，醋酸锌与水的用量比为(3-3.5)g:20ml；所述的醋酸锌与海藻酸钠的质量比为(3-3.5):2。

进一步地，步骤2)中，搅拌时间为0.5-1.5h。搅拌优选为磁力搅拌。

进一步地，步骤3)中，冻干之前用液氮进行预冷冻。

进一步地，步骤3)中，预碳处理过程中，温度为450-550℃，时间为1.5-2.5h。

进一步地，步骤4)中，高温碳化活化过程中，温度为500-800℃，时间为1.5-2.5h，活化剂为KOH，预碳产物与活化剂的质量比为1:(1-2)。