碳材料的制备方法、所得碳材料及其应用技术

公开了一种碳材料的制备方法，以及由该方法制得的碳材料及其应用。所述方法包括在高温下对碳原料进行水热处理，随后用活化剂进行活化的步骤。所述方法得到的碳材料的比表面和导电性等综合性能优良，可广泛应用于锂电池、二次电池和超级电容器等领域。

【技术实现步骤摘要】
碳材料的制备方法、所得碳材料及其应用
本专利技术涉及一种碳材料的制备方法，由该方法制得的碳材料和其应用。
技术介绍
高比表面和高导电碳材料在许多方面都有重要的用途，如高比表面碳材料如活性炭，广泛用于吸附分离、电极材料等；高导电碳材料如导电炭黑碳纳米管、石墨烯等，广泛用做导电添加剂等。因此，总是需要提供一种碳材料同时具有高比表面和高导电性，并且制备方法简单、原料易得且成本低。专利技术概述本申请针对上述需求，提供一种碳材料制备方法，由该方法制得的碳材料比表面和导电性等综合性能优良，可满足许多领域的应用要求，包括二次电池电极，超级电容器电极和导电添加剂等等，并且具有更加优良的性能。一方面，提供了一种碳材料的制备方法，所述方法包括:i)将水溶性或可水分散性碳源材料在加热和加压条件下进行水热反应；以及ii)将所得水热反应 产物与活化剂粉末混合，然后在加热条件下进行活化反应，所述活化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠。通常，所述活化反应在300° -1,000° C，特别优选400° -1,000° C，优选地,所述活化反应中水热反应产物与活化剂的比例为1:2-10,更优选1:4-8。优选地，180° -300° C以上的温度下进行，特别优选200° -250° C。通常，所述水热反应在8个以上大气压的条件下进行。优选地，所述水热反应的反应时间为8-16小时。优选地，所述活化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾。优选地，所述活化反应在惰性气氛下进行。优选地，所述活化反应在300° C以上的温度下进行。优选地，所述活化反应的反应时间为1-4小时。特别优选地，所述活化反应分两个阶段进行，第一阶段在300° -500° C下进行，第二阶段在800° -1,000° C下进行。优选地，所述活化反应通过以预定速度逐渐升温到目标温度，而后在目标温度下恒温一段时间来实现。更优选地，所述预定的升温速度为5-10° C/分钟。优选地,所述活化反应中水热反应产物与活化剂的比例为1:2-10,更优选1:4-8。显然，如果原料为水热反应产物或类似物，上述方法中的步骤i)可以省去。另一方面，提供了按照本专利技术方法制备的碳材料。再一方面，提供了本专利技术碳材料用于制备高表面材料、高导电材料或导电复合材料的用途。再一方面，提供了一种复合材料，包含本专利技术碳材料和适用于制备以下功能性材料的其他材料:高表面材料、高导电材料或导电复合材料。再一方面，提供了一种电极，所述电极由本专利技术碳材料、高分子粘合剂和适用于制备电极的其他材料混合制成。再一方面，提供了一种超级电容器，包括至少一个本专利技术的电极。再一方面，提供了一种二次电池，包括至少一个本专利技术的电极。本申请提供的方法可直接以工业废料或生物材料为原料，成本低，并可减少环境废料和污染，提高各种原料的能源利用率；而且方法工艺简单，减少环境污染。 附图的简要说明图1所示为根据本申请实施例1.1中所制得碳材料的比表面数据。图2所示为本申请实施例1.2所得产物的导电性。图3a所示为根据本申请一实施例制得的电容器的电容性能。图3b所示为根据本申请一实施方法制得的电容器的电容性能。图4所示为根据本申请另一实施方法制得的电容器的恒流充放电曲线。图5所示为根据本申请再一实施方法制得的电容器的PF16&G0-HT_AT(90%样品+10%PTFE)恒流充放电曲线，电解液TEABF4/AN。图6所示为根据本申请又一实施方法制得的电容器的恒流充放电曲线。图7所示为根据本申请又一实施方法制得的电容器的恒流充放电曲线。图8所示为根据本申请又一实施方法制得的电容器的恒流充放电曲线。图9所示为根据本申请不同电极材料制得的电容器的电容性能。图1Oa所示为本申请淀粉基活性炭材料制得的一电容器在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。图1Ob所示为本申请淀粉基活性炭材料制得的另一电容器在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。专利技术详述以下参照附图对本专利技术的某些优选实施方式进行了说明，这些说明仅为示例性的，不应理解为对本专利技术的限制。此外，为了使表述更加简洁，所述优选实施方式是以单独的方式给出的。但是，本领域技术人员可以理解，在没有相反表示的情况下，多个优选实施方式可以结合使用，以取得更加优良的技术效果。在本专利技术的第一方面，提供了一种碳材料的制备方法，所述方法包括:i)将碳源材料与水混合，在加热和加压条件下进行水热反应；以及ii)将所得水热反应产物与活化剂粉末混合，然后在加热条件下进行活化反应，所述活化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠，更优选选自氢氧化钠、氢氧化钾，最优选氢氧化钾。在本专利技术中，术语“水热反应”指所述碳源材料在加热和加压条件下，在水中发生的反应。在优选的实施方式中，所述水热反应在180° C以上的温度下进行，更优选200。-300。C，特别优选 200。-250。C。在优选的实施方式中，所述水热反应在8个以上大气压的条件下进行。在优选的实施方式中，所述水热反应在水热反应釜或高压釜中进行。在优选的实施方式中，所述水热反应的反应时间为8-16小时，更优选10-14小时，特别优选约12小时。在特别优选的实施方式中，所述水热反应在180° -200° C和8个以上大气压条件下进行，持续10-14小时。在一【具体实施方式】中，所述水热反应在180° C和8个以上大气压下进行约12小时。在具体的实施方式中，所述碳源材料与水的混合通过将所述碳源材料分散到水中来实现，例如通过超声或搅拌等手段将碳源材料均匀分散到水中。在优选的实施方式中，所述碳源材料为水分散性或水溶性的含碳材料。在本专利技术中，术语“水分散性”指所述碳源材料可以通过常规手段如超声或搅拌均匀地分散在水中，形成悬浮液、乳液或者其他分散体形式。例如，这类碳源材料可以通过将固体碳源材料如植物的茎和叶粉碎后得到。在本专利技术中，术语“水溶性”指所述碳源材料在常温常压下可溶于水。在进一步优选的实施方式中，所述碳源材料选自以下含碳材料中的一种或多种:i)天然微生物或植物，所述植物选自其根、茎、叶、果实、花粉；ii)非碳水化合 物类聚合物，如聚乙烯醇，聚丙烯酸或其酯，树脂类如酚醛树脂或其预聚物、糠醛树脂；iii)碳水化合物类，如单糖、二糖、多糖、低聚糖或者它们的任意组合，优选淀粉、纤维素、葡萄糖、壳聚糖、葡聚糖、环糊精、海藻酸或其衍生物；iv)导电碳材料及其衍生物，如碳纳米管、石墨氧化物、石墨烯氧化物，或者它们的任意组合；以及V)任意一种选自iv)的材料和任意其他组材料的组合。在进一步优选的实施方式中，所述碳源材料选自:石墨烯氧化物或石墨氧化物(两者在本申请中皆简称为:G0)，碳纳米管，聚乙烯醇(PVA)、牡丹花粉、荷花花粉、油菜花花粉、茶花花粉、玫瑰花花粉、海藻酸钠、苯酚-甲醛混合物、酚醛树脂或其预聚物、葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素、葡聚糖、壳聚糖，或者它们的任意组合。在某些优选的实施方式中，所述碳源材料为GO与选自如下的辅助碳源材料的混合物:聚乙烯醇、牡丹花粉、荷花花粉、油菜花花粉、茶花花粉、玫瑰花花粉、海藻酸钠、苯酚-甲醛混合物、酚醛树脂或其预聚物、葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素、葡聚糖、壳聚糖，或者它们的任意组合。在进一步优选的实施方式中，所述碳源材料中GO与辅助碳源材料的重量比为4:1 到 1:64，例如 4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材料的制备方法，包括：i)将水溶性或可水分散性碳源材料在加热和加压条件下进行水热反应，优选地，所述水热反应在180°?300°C以上的温度下进行，特别优选200°?250°C，优选地，所述水热反应的反应压力为8个以上大气压；以及ii)将所得水热反应产物与活化剂粉末混合，然后在加热条件下进行活化反应，所述活化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠，更优选选自氢氧化钠、氢氧化钾，最优选氢氧化钾，所述活化反应在300°?1,000°C，特别优选400°?1,000°C，优选地，所述活化反应中水热反应产物与活化剂的比例为1:2?10，更优选1:4?8。

【技术特征摘要】
1.一种碳材料的制备方法，包括: i)将水溶性或可水分散性碳源材料在加热和加压条件下进行水热反应，优选地，所述水热反应在180° -300° C以上的温度下进行，特别优选200° -250° C， 优选地，所述水热反应的反应压力为8个以上大气压；以及 ii)将所得水热反应产物与活化剂粉末混合，然后在加热条件下进行活化反应，所述活化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠，更优选选自氢氧化钠、氢氧化钾，最优选氢氧化钾， 所述活化反应在300° -1,000° C，特别优选400° -1,000° C， 优选地，所述活化反应中水热反应产物与活化剂的比例为1:2-10,更优选1:4-8。2.如权利要求1所述的制备方法，其中所述碳源材料选自以下含碳材料中的一种或多种: i)天然微生物或植物，所述植物选自其根、茎、叶、果实、花粉； ii)非碳水化合物类聚合物，如聚乙烯醇，聚丙烯酸或其酯，树脂类如酚醛树脂或其预聚物、糠醛树脂； iii)碳水化合物类，如单糖、二糖、多糖、低聚糖或者它们的任意组合，优选淀粉、纤维素、蔗糖、葡萄糖、壳聚糖、葡聚糖、环糊精、海藻酸或其衍生物； iv)导电碳材料及其衍生物，如碳纳米管、导电炭黑、导电石墨、石墨氧化物、石墨烯氧化物，或者它们的任意组合；以及 v)任意一种选自iv)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永胜，张帆，张龙，杨希，李璇，
申请(专利权)人：天津普兰纳米科技有限公司，南开大学，
类型：发明
国别省市：