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造技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料及其制备与应用
本专利技术属于碳材料
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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)。冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料，该层状多孔碳材料采用所述的方法制备而成。冻干辅助模板法制备的层状多孔碳材料的应用，所述的层状多孔碳材料用于超级电容器中。海藻酸钠是从海藻中提取的一种水溶性多糖，具有丰富的羧基和羟基，是一种天然的可再生资源。本专利技术采用海藻酸钠作为原料，来源丰富，价格低廉，且含碳量较高，是一种完全符合绿色化学要求的环境友好型材料。本专利技术中，海藻酸钠含有的羧基和羟基可以与锌盐模板中的金属离子配位，碳化过程中，碳基质自然地转化为含碳物质，金属离子将转化为相应的碳酸盐或氧化物。通过高温煅烧的手段实现原位热解产生的模板来控制碳材料的孔径，这些衍生的中孔为加速电化学过程中的离子转移提供了通道。KOH作为活化剂可以产生大量微孔，同时引入氧原子。与现有技术相比，本专利技术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。附图说明图1为实施例1中制备得到的层状多孔碳材料的TEM图；图2为实施例1中制备得到的层状多孔碳材料在10mV·s-1的CV曲线图；图3为实施例1中制备得到的层状多孔碳材料在0.5A·g-1的GCD曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1：冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，具体包括以下步骤：1)将2g海藻酸钠粉末缓慢溶解于60ml去离子水中，持续搅拌加热形成溶液，温度为80℃，时间为2h；2)将3.14g醋酸锌加入20ml去离子水，缓慢滴入海藻酸钠溶液形成凝胶并持续搅拌1h；3)将步骤2)中的凝胶冻干粉碎后预碳处理，冻干前先用液氮处理，预碳温度为500℃，时间为2h；4)将步骤3)中的预碳产物高温碳化活化，预碳产物与活化剂KOH的质量比为1:1，碳化温度为600℃，时间为2h，即得层状多孔碳材料。对制得的层状多孔碳材料进行表征，结果如图1所示。由图1可以看出，碳材料呈片层状，并形成了大量有利于离子转移的孔隙结构。对制得的层状多孔碳材料进行电化学性能测试，过程如下：采用电化学工作站，在三电极体系中对制得的层状多孔碳材料进行电化学性能测试。工作电极为层状多孔碳材料，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。以6MKOH溶液作为电解液，测试CV曲线和GCD曲线，分别如图2、图3所示。由图2可以看出，层状多孔碳材料具有接近矩形闭合曲线，比重量电容较大。由图3可以看出，在电流密度为0.5A·g-1时，样品的GCD曲线显示出近似对称的三角形，这证明了层状多孔碳材料的电化学可逆性和库仑效率较好。实施例2：冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，具体包括以下步骤：1)将2g海藻酸钠粉末缓慢溶解于60ml去离子水中，持续搅拌加热形成溶液，温度为850℃，时间为2h；2)将3.14g醋酸锌加入20ml去离子水，缓慢滴入海藻酸钠溶液形成凝胶并持续搅拌1h；3)将步骤2)中的凝胶冻干粉碎后预碳处理，冻干前先用液氮处理，预碳温度为500℃，时间为2h；4)将步骤3)中的预碳产物高温碳化活化，预碳产物与活化剂KOH的质量比为1:1，碳化温度为600℃，时间为3h，即得层状多孔碳材料。实施例3：冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，具体包括以下步骤：1)将2g海藻酸钠粉末缓慢溶解于60ml去离子水中，持续搅拌加热形成溶液，温度为90℃，时间为1h；2)将3.14g醋酸锌加入20ml去离子水，缓慢滴入海藻酸钠溶液形成凝胶并持续搅拌1h；3)将步骤2)中的凝胶冻干粉碎后预碳处理，冻干前先用液氮处理，预碳温度为500℃，时间为2h；4)将步骤3)中的预碳产物高温碳化活化，预碳产物与活化剂KOH的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n1)将海藻酸钠溶于水中，并进行搅拌加热，得到海藻酸钠溶液；/n2)将锌盐水溶液滴入海藻酸钠溶液中，搅拌后得到凝胶；/n3)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；/n4)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。/n

【技术特征摘要】
1.冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的海藻酸钠与水的用量比为2g:(50-70)ml。


3.根据权利要求1所述的冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤1)中，搅拌加热过程中，温度为80-100℃，时间为1-2h。


4.根据权利要求1所述的冻干辅助模板法制备层状多孔碳材料的方法，其特征在于，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。

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺华林，李梦琰，杨洋，王云云，李欣，袁铭霞，陈哲，严春阳，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31