本发明专利技术涉及一种分层多孔碳及其制备方法和超级电容器，所述分层多孔碳包括第一多孔碳层以及位于所述第一多孔碳层表面上的第二多孔碳层；所述分层多孔碳中的碳原子包括sp<supgt;3</supgt;碳原子杂化键和sp<supgt;2</supgt;碳原子杂化键，所述分层多孔碳的孔结构包括微孔、介孔和大孔；在所述第一多孔碳层中，所述sp<supgt;2</supgt;碳原子杂化键含量>所述sp<supgt;3</supgt;碳原子杂化键含量，所述介孔和大孔的总体积占比>所述微孔的体积占比；在所述第二多孔碳层中，所述sp<supgt;3</supgt;碳原子杂化键含量>所述sp<supgt;2</supgt;碳原子杂化键含量，所述微孔的体积占比>所述介孔和大孔的总体积占比。本发明专利技术设计了分层多孔碳层的杂化类型和孔道结构，以形成孔结构合理、比表面积高和导电性优异的碳基材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电极材料，尤其涉及一种分层多孔碳及其制备方法和超级电容器。
技术介绍
1、超级电容器作为新一代存储系统，近年来引起了研究人员的极大兴趣。超级电容器的电池型电极为离子沉积/剥离过程，电容型电极为快速的物理吸-脱附过程，具有高能量密度和功率密度的出色集成，无缝地弥合了电池和超级电容器之间的差距，成为未来大型设备和便携式电子设备最可行的选择之一。
2、碳基材料是用于电化学电容器或超级电容器领域的主要电容型电极材料。碳基材料普遍有着高比表面积、优异的导电性和高循环稳定性等优点，与超级电容器的电容型正极材料所应该具有的特点高度契合。碳是元素周期表中一种具有多种同质异构体的元素。许多工业应用中涉及的碳材料呈现出多种形式，从高度有序的晶体结构，如石墨和金刚石，到其他有序度较低的品种，如碳纤维，活性炭等。
3、碳基材料具有诸多优点，例如碳基材料本身在自然界中有着极大的存量、易得、获取制备的成本低等。经过长时间的研究和发展，碳基材料成为了目前应用最广泛和商业化生产使用最成熟的电极材料。例如，现有技术cn108063057a公开一种复合多孔碳材料及其高功率超级电容器的制备方法，复合多孔碳材料由如下成分及其重量份数组成：氧化石墨烯10-50份、璜化沥青10-50份、氢氧化钾20-100份，其具有密度高、比表面积大，组装成的超级电容器的比容高、功率大。然而，这种碳基材料引入强碱物质氢氧化钾，采用碱活化进行化学活化，这不仅成本较高，而且对环境有害。因此，开发一种更环保、成本效益高的制备方法是当前研究的一个重要方向。</p>4、在电化学性能中，比表面积和导电性能是评价碳基材料的重要标准。通过更高的比表面积，电极材料可以增加其表面与电解液的接触面积，这使得离子的物理可逆吸脱附过程具有更多的位点，从而提高超级电容器的比电容。而良好的导电性可以让离子进行更快速的扩散，降低反应过程的时间，从而提高超级电容器的倍率性能。除此之外，合理的孔径结构也对电容大小具有重要的作用，多数离子的储存更依赖于孔径结构中的微孔的存在，而孔径结构中的介孔和大孔的存在更能够促进离子的传输。
5、因此，提供一种孔径结构合理且导电性高，从而使得电化学性能优异，同时组成绿色环保的碳基材料，已成为目前亟待解决的问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种分层多孔碳及其制备方法和超级电容器。本专利技术提供的分层多孔碳，通过对第一多孔碳层和第二多孔碳层的孔道结构和杂化类型的设计，形成内部具有高sp2杂化且以介孔和大孔的通道结构为主的碳材料，内部碳材料的表面上设计了具有高sp3杂化且以微孔的通道结构为主的碳材料，从而构成孔道结构合理、比表面积高以及导电性优异的碳基材料，提高了分层多孔碳的电化学性能，同时，分层多孔碳的组成绿色环保，对环境友好。
2、为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种分层多孔碳，所述分层多孔碳包括第一多孔碳层以及位于所述第一多孔碳层上的第二多孔碳层；所述分层多孔碳中的碳原子包括sp3碳原子杂化键和sp2碳原子杂化键，所述分层多孔碳的孔结构包括微孔、介孔和大孔；
4、在所述第一多孔碳层中，所述sp2碳原子杂化键含量>所述sp3碳原子杂化键含量，所述介孔和所述大孔的总体积占比>所述微孔的体积占比；
5、在所述第二多孔碳层中，所述sp3碳原子杂化键含量>所述sp2碳原子杂化键含量，所述微孔的体积占比>所述介孔和所述大孔的总体积占比。
6、本专利技术中，“在所述第一多孔碳层中，所述sp2碳原子杂化键含量>所述sp3碳原子杂化键含量”与“在所述第二多孔碳层中，所述sp3碳原子杂化键含量>所述sp2碳原子杂化键含量”指的是，在同一多孔碳层中，sp3碳原子杂化键的个数含量与sp3碳原子杂化键的个数含量的相对大小。
7、本专利技术中提供的分层多孔碳，采用sp2碳原子杂化键占比较高的碳基材料作为第一多孔碳层，其以介孔和大孔的孔道结构为主，具有较大比表面积和较高的导电性能。在第一多孔碳层上设置含有高占比的sp3碳原子杂化键的第二多孔碳层，其具有丰富的微孔和少量的介孔和大孔的孔道结构。通过对于两层多孔碳层结构进行主要杂化类型的选择，以及优化多孔碳材料的孔道结构，提高分层多孔碳的比表面积和导电性，从而使得其在应用过程中，能够提高电化学器件的倍率性能和电容特性。同时，分层多孔碳中的特殊层次孔道结构中的表面有大量微孔的存在，能够提高电化学器件在运行时对离子的储存，从而提高电化学器件的电容特性，而介孔和大孔的存在能够缓解电化学器件工作过程中离子在微孔通道内长距离传输的问题，从而使得电化学器件具有更高的倍率性能。此外，本专利技术提供的分层多孔碳主要是对于第一多孔碳层和第二多孔碳层的孔道结构和杂化类型进行设计，组成绿色环保，对环境友好。
8、在本专利技术提供的分层多孔碳中，位于第一多孔碳层表面上的第二多孔碳层，其主要分布在第一多孔碳层边缘的外表面上，对第一多孔碳层的外边缘进行包覆，另外，第二多孔碳层还分布在第一多孔碳层中的介孔和大孔所形成的内部表面上。
9、优选地，在所述第一多孔碳层中，所述sp3碳原子杂化键含量与所述sp2碳原子杂化键含量的比值为(1-3):(7-9)，例如1:9、2:8或3:7等。
10、本专利技术中，“所述sp3碳原子杂化键含量与所述sp2碳原子杂化键含量的比值”指的是，在同一多孔碳层中，sp3碳原子杂化键的个数含量与sp2碳原子杂化键的个数含量的比值。
11、优选地，在所述第一多孔碳层中，所述微孔体积占第一多孔碳层中的总孔体积的15-25％，例如15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％等。
12、本专利技术的第一多孔碳层中，若sp3碳原子杂化键含量过高，微孔体积占比过大，则会导致孔径分层结构不合理，介孔和大孔含量较小，而在多孔碳基材料中，微孔主要用于储存容量，介孔和大孔主要用于材料内部离子的传输，若微孔含量较大，介孔和大孔含量较小，虽然有利于储存容量，但是对于离子的传输会产生较大的影响，从而使得电化学器件的倍率性能显著下降。
13、优选地，在所述第二多孔碳层中，所述sp3碳原子杂化键含量与所述sp2碳原子杂化键含量的比值为(7-9):(1-3)，例如7:3、8:2或9:1等。
14、优选地，在所述第二多孔碳层中，所述微孔体积占所述第二多孔碳层中的总孔体积的50-60％，例如50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％等。
15、本专利技术的第二多孔碳层中，若sp3碳原子杂化键过低，微孔体积占比过小，则会导致分层多孔碳的孔道结构不合理，会使得材料储存容量的性能下降，从而使得电化学器件的比电容较低。
16、优选地，所述第一多孔碳层与所述第二多孔碳层的质量比为(1-2):(4-6)，例如1:6、1:5、1:本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种分层多孔碳，其特征在于，所述分层多孔碳包括第一多孔碳层以及位于所述第一多孔碳层表面上的第二多孔碳层；所述分层多孔碳中的碳原子包括sp3碳原子杂化键和sp2碳原子杂化键，所述分层多孔碳的孔结构包括微孔、介孔和大孔；
2.根据权利要求1所述的分层多孔碳，其特征在于，在所述第一多孔碳层中，所述sp3碳原子杂化键含量与所述sp2碳原子杂化键含量的比值为(1-3):(7-9)；
3.根据权利要求1或2所述的分层多孔碳，其特征在于，所述分层多孔碳还包括位于所述第二多孔碳层中的掺杂元素；
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的分层多孔碳的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一碳源包括生物质碳源和/或高分子树脂；
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第二碳源包括有机碳源；
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合的温度为30-80℃；
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合过程中还加入含有掺杂元素的化合物；
9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热解的气氛为氮气气氛、氢气气氛或惰性气体气氛中的任意一种或至少两种的组合；
10.一种超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括正极材料，所述正极材料包括权利要求1-3任一项所述的分层多孔碳。
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【技术特征摘要】
1.一种分层多孔碳，其特征在于，所述分层多孔碳包括第一多孔碳层以及位于所述第一多孔碳层表面上的第二多孔碳层；所述分层多孔碳中的碳原子包括sp3碳原子杂化键和sp2碳原子杂化键，所述分层多孔碳的孔结构包括微孔、介孔和大孔；
2.根据权利要求1所述的分层多孔碳，其特征在于，在所述第一多孔碳层中，所述sp3碳原子杂化键含量与所述sp2碳原子杂化键含量的比值为(1-3):(7-9)；
3.根据权利要求1或2所述的分层多孔碳，其特征在于，所述分层多孔碳还包括位于所述第二多孔碳层中的掺杂元素；
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的分层多孔碳的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄小磊，胡孙武，陈伟明，
申请(专利权)人：中国科学院赣江创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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