專利名稱：不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料及制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有納米孔結(jié)構(gòu)先進(jìn)材料設(shè)計方法及制備技術(shù)，具體為一種新型的由不同尺度納米孔可控層次組合所形成的碳材料的設(shè)計與制備方法及其作為電化學(xué)電容器電極材料的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
作為一種重要儲能元件，電化學(xué)電容器在各個領(lǐng)域均廣受關(guān)注。但常規(guī)電容器僅具有微法或皮法數(shù)量級的電容，應(yīng)用上受到很大限制。開發(fā)一種較大容量的電容器，使其同時可提供較大的能量密度和功率密度，能夠在電池及傳統(tǒng)電容器之間發(fā)揮作用十分迫切。電容器作為儲能裝置需要具有優(yōu)異的瞬時充放電性能，循環(huán)性好?？勺鳛闊o污染的小型后備電源用于多種電器設(shè)備，同時亦可與電池共同組成復(fù)合電源為電動車提供動力。由于電化學(xué)電容器的等效串聯(lián)電阻和比表面積對其功率密度和能量密度有很大的影響，離子傳輸通暢和電化學(xué)活性表面充分的集電極材料有利于提高電化學(xué)電容器的功率密度、能量密度。在現(xiàn)有技術(shù)中，電極活性物質(zhì)多采用高比表面積的活性炭作為電極儲能材料。但活性炭電極材料占多數(shù)表面積孔為分子級極細(xì)孔，其不利于離子傳輸，這部分表面和微孔不能被充分利用，從而影響功率密度的進(jìn)一步提高。通常，對于流體相體系的電化學(xué)過程(如電化學(xué)電容器、燃料電池)，反應(yīng)物組元在電極結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散速率制約著相應(yīng)體系的效率。合理設(shè)計反應(yīng)物組元的擴(kuò)散通道，就需要合理設(shè)計材料的孔結(jié)構(gòu)和發(fā)展可控的孔結(jié)構(gòu)制備方法。對于三維結(jié)構(gòu)的納米孔材料，只有中孔(孔徑大于2nm小于50nm的孔)和大孔(大于50nm的孔)才有利于反應(yīng)物組元的動力學(xué)輸運(yùn)性能的提高，而微孔(孔徑小于2nm的孔)為反應(yīng)組元提供了活性吸附位，對于電化學(xué)儲能過程非常重要。合理設(shè)計具有微孔/中孔/大孔的多級孔結(jié)構(gòu)是相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用工作的重心。如何設(shè)計和制備具有高比表面積和有利于離子傳輸?shù)目捉Y(jié)構(gòu)的納米孔結(jié)構(gòu)碳材料就成為相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。
盡管傳統(tǒng)化學(xué)/物理活化方法可以制備具有一定中孔含量的活性炭，這些中孔孔徑相對較小，含量相對較低，限制了其性能的提高和應(yīng)用范圍的拓寬。而采用中孔或微孔分子篩為模板的工藝具有周期長、成本高、結(jié)構(gòu)重現(xiàn)性差等缺點(diǎn)，不利于大規(guī)模利用。

發(fā)明內(nèi)容
為了進(jìn)一步提高電化學(xué)功率密度能量密度，本發(fā)明的目的在于提供一種不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料及其制備方法和應(yīng)用，采用本發(fā)明的工藝可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)控制合成納米孔的結(jié)構(gòu)，如不同孔徑大小、不同含量、不同孔徑分布(微孔/中孔、微孔/大孔)組合，所需原料來源廣泛、價格低廉，工藝簡單，結(jié)構(gòu)重現(xiàn)性好。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料，該結(jié)構(gòu)為具有大孔、中孔、微孔的不同孔結(jié)構(gòu)組合，形成三維相互貫通關(guān)系、在微米尺度上呈現(xiàn)類海綿狀結(jié)構(gòu)。以微孔/中孔層次組合或以微孔/大孔層次組合為特征結(jié)構(gòu)，中孔為相鄰大孔間的窗口通道，微孔存在于中孔/大孔孔壁上。該碳材料的比表面積為500～1000m2/g，微孔孔徑在0.5～2nm內(nèi)分布，中孔孔徑在4nm至50nm范圍內(nèi)分布，大孔孔徑在50nm至2μm范圍內(nèi)分布，微孔、中孔或大孔的體積比例可控分布(微孔所占的體積比例在50-70％，中孔/大孔所占的體積比例在30-50％)。
該碳材料結(jié)構(gòu)的中孔包括小中孔和大中孔，小中孔孔徑4nm至10nm范圍內(nèi)分布可控，大中孔孔徑在10nm至50nm范圍內(nèi)分布。
該碳材料中孔結(jié)構(gòu)的中孔或大孔孔徑分布集中，小中孔的孔徑分布變化區(qū)間為2-5nm，大中孔的孔徑分布變化區(qū)間為5nm至20nm，大孔的孔徑分布變化區(qū)間為20nm-1μm。
所述的不同尺度納米孔可控層次組合的復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料的制備方法，通過在堿性水溶液體系中結(jié)合表面活性劑誘發(fā)氧化物溶膠模板和醇溶性酚醛樹脂原位析出方法直接合成樹脂基復(fù)合體系，并經(jīng)后續(xù)炭化和活化，在除去氧化物模板后得到具有納米孔組合復(fù)合的碳結(jié)構(gòu)。具體的過程是將堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物，或者與其他堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物總量和水按照重量比1∶(1-100)(較好重量比為1∶(1-20))均勻混合完全溶解形成溶液I；所述的堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物，諸如硝酸鎂、醋酸鎂、氯化鈣、硝酸鈣、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸銅、硝酸銅、硝酸鎳、醋酸鎳、氯化鎳、硫酸鎳、醋酸鈷、硝酸鈷、硝酸鐵、硝酸鉻、高錳酸鉀等。將沉淀劑(氨水、尿素、碳酸氨、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀等弱堿或氫氧化鈉、氫氧化鉀等強(qiáng)堿)、自組裝誘發(fā)劑(嵌段共聚物(如聚環(huán)氧乙烯-聚環(huán)氧丙稀P123等)、陰/陽離子性表面活性劑(如十八璜酸鈉，十六烷基三甲基溴化銨CTAB等)或非離子性表面活性劑(如月桂醇聚氧乙烯醚Brij30等)等)和水按照重量比例(0.1-10)∶(0.1-5)∶(1-50)均勻混合完全溶解形成溶液II。在10-100℃常壓條件下將上述兩個溶液體系混合，在沉淀劑和自組裝誘發(fā)劑作用下使堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物溶液中的金屬離子形成其氫氧化物或氧化物溶膠。將醇溶性樹脂的乙醇溶液(樹脂和乙醇的重量比為1∶(1-20))加入上述溶膠體系，樹脂與堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物的重量比例為1∶(0.1-20)，待樹脂在析出劑水作用下完全析出后，將溶劑水和乙醇在60-80℃于常壓下緩慢蒸發(fā)去除(24-48小時)，即可制備樹脂/氧化物復(fù)合體系；所述的醇溶性樹脂包括酚醛樹脂及硼摻雜改性的高溫酚醛樹脂。將樹脂/氧化物復(fù)合體系先在惰性(如氬氣等)或還原性氣氛(如氨氣)中炭化，炭化溫度在500-1000℃，升溫速率為5-10℃/min，炭化時間為2-6小時。將炭化產(chǎn)物和無機(jī)酸(如鹽酸、硝酸等)以重量比1∶(0.1-5)混合，常壓下在30-90℃攪拌條件下反應(yīng)4-6小時將氧化物模板去除，通過離心分離或真空抽濾途徑將酸液和去除模板的碳材料分離。將去除模板的碳材料在60-120℃下真空干燥1-48小時，即得到由不同孔徑納米孔層次組合所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料。根據(jù)對孔徑分布的要求，將去復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料采用物理活化(活化劑如CO2、水蒸氣或空氣)或化學(xué)活化(活化劑如KOH、ZnCl2、Fe(NO3)2等，活化劑和復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料的重量比為1∶(0.1-5))方法在300-800℃下活化2-6小時(升溫速率為5-10℃/min)。即可進(jìn)一步控制不同孔徑納米孔的組合。
本發(fā)明通過上面溶膠模板/原位析出過程得到不同孔徑納米孔組合的復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料，其比表面積大于500m2/g，中孔、大孔孔徑在4nm至2μm范圍內(nèi)可控分布，微孔孔徑在0.5～2nm內(nèi)分布，中孔、大孔或微孔的比例可調(diào)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具有良好的電化學(xué)特性，可用于電化學(xué)電容器的電極材料。
以本發(fā)明電極材料作為工作電極，6M KOH為電解液，然后組裝為電化學(xué)電容器，容量可達(dá)到100～250F/g(按活性物質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料，下同)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是1、本發(fā)明涉及納米孔結(jié)構(gòu)先進(jìn)材料設(shè)計方法及制備技術(shù)，特別提供了關(guān)于一種新型不同孔徑納米孔組合復(fù)合的碳結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及其實(shí)現(xiàn)過程。該設(shè)計方法特征在于以模板合成方法為基礎(chǔ)，在綜合考慮離子傳輸對納米孔結(jié)構(gòu)的需求前提下，通過不同模板過程實(shí)現(xiàn)了在同一碳材料中不同孔徑納米孔的可控制備。這種新型納米孔組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想將納米孔孔徑效應(yīng)、電解質(zhì)離子納米孔內(nèi)傳輸機(jī)制和模板合成概念整合剖析，提出一種可以滿足高效的離子傳輸能力，并充分利用不同孔徑納米孔特異的物理化學(xué)性質(zhì)的新穎模板合成途徑。
2、本發(fā)明采用通過在堿性水溶液體系中結(jié)合表面活性劑自組裝誘發(fā)的氧化物溶膠模板和醇溶性酚醛樹脂原位析出方法直接合成酚醛樹脂/氧化物復(fù)合材料。將該復(fù)合材料炭化和活化，除去模板后可得到具有不同孔徑納米孔組合復(fù)合的碳結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)微孔比例可控，中孔孔徑、比例可控，大孔孔徑、比例可控，而且中孔/大孔孔徑集中分布。該方法的獨(dú)到之處是可以控制使納米孔結(jié)構(gòu)以微孔/中孔層次組合或以微孔/大孔層次組合為特征結(jié)構(gòu)。該方法制備的納米孔碳材料的比表面積可達(dá)500～1000m2/g，中孔、大孔孔徑在4nm至100nm范圍內(nèi)可控分布，微孔孔徑在0.5～2nm內(nèi)分布，中孔、大孔或微孔的比例可控分布(微孔比例在50-60％，中孔/大孔比例在30-40％)。這種方法制備的不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具有高的比表面積、富有電化學(xué)活性表面和高效的離子傳輸通道，可獲得高的電化學(xué)功率密度能量密度。
3、本發(fā)明合成的新型不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具有不同層次孔結(jié)構(gòu)，有優(yōu)異的離子傳輸動力學(xué)性能和高的電化學(xué)活性比表面積，可望用于高能量密度高功率密度電化學(xué)電容器用電極材料。


圖1不同孔徑納米孔可控層次組合的碳材料的氮?dú)獾葴匚角€。
圖2(a)-(b)不同孔徑納米孔可控層次組合的碳材料的掃描電子顯微鏡照片，其中箭頭所指大孔和中孔。
圖3不同孔徑納米孔可控層次組合的碳材料的透射電子顯微鏡照片，其中箭頭所指為微孔。
圖4不同孔徑納米孔可控層次組合的碳材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、大孔；2、中孔；3、微孔；4、大孔/中孔的孔壁。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明加以說明實(shí)施例1醋酸鎂和水按照重量比1∶4混合完全溶解形成溶液I。將氫氧化鈉，P123和水按照重量比1∶0.5∶30混合完全溶解形成溶液II，然后在20℃條件下將上述兩種溶液體系攪拌混合，醋酸鎂與氫氧化鈉的重量比為1∶1，在強(qiáng)堿(NaOH)作用下使鎂鹽形成其氫氧化物溶膠，加入醇溶性酚醛樹脂的乙醇溶液(酚醛樹脂和乙醇的重量比為1∶4)，酚醛樹脂與所述鎂鹽的加入重量比例為1∶1，待酚醛樹脂在水作用下完全析出后，將溶劑水和乙醇在60℃下蒸發(fā)去除(48小時)，就可以得到酚醛樹脂/氧化物復(fù)合材料，加以炭化(600℃，6小時，氨氣)，用鹽酸洗滌去除模板，將炭化產(chǎn)物和鹽酸以重量比1∶5混合，常壓下在60℃攪拌條件下反應(yīng)6小時將氧化物模板去除，通過離心分離或真空抽濾方法將酸液和去除模板的碳材料分離；將去除模板的碳材料在120℃真空干燥24小時，即得由不同孔徑納米孔層次組合所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料。
本實(shí)施例由不同孔徑納米孔層次組合所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具體為微孔0.7-2nm，大中孔5-20nm，大孔20nm-1μm，比表面積為578m2/g。
得到樣品的氮?dú)獾葴匚角€如附圖1，形貌觀察如附圖2(a)-(b)、3。如圖4所示，該樣品的結(jié)構(gòu)具有大孔1、中孔2、微孔3的不同孔結(jié)構(gòu)組合，形成三維相互貫通關(guān)系、在微米尺度上呈現(xiàn)類海綿狀結(jié)構(gòu)。以微孔/中孔層次組合或以微孔/大孔層次組合為特征結(jié)構(gòu)，中孔為相鄰大孔間的窗口通道，微孔存在于中孔/大孔孔壁4上。
以其為電極材料，6M KOH為電解液，然后組裝為電化學(xué)電容器，容量可達(dá)到200F/g(按活性物質(zhì)不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料，下同)。
實(shí)施例2硝酸鎳和水按照重量比1∶5混合完全溶解形成溶液I。尿素，CTAB和水按照重量比1∶1∶20完全溶解形成溶液II，然后在90℃條件下將上述兩種溶液體系攪拌混合，硝酸鎳與尿素的重量比為1∶3，硝酸鎳在尿素水解作用下形成其氫氧化物溶膠，加入醇溶性酚醛樹脂的乙醇溶液(酚醛樹脂和乙醇的重量比為1∶3)，酚醛樹脂與所述鎳鹽的加入重量比例為1∶1，待酚醛樹脂在水作用下完全析出后，將溶劑水和乙醇在60℃下蒸發(fā)去除(48小時)，就可以得到酚醛樹脂/氧化物復(fù)合材料，加以炭化(700℃，6小時，氬氣)，用鹽酸洗滌去除模板，將炭化產(chǎn)物和鹽酸以重量比1∶3混合，常壓下在60℃攪拌條件下反應(yīng)6小時將氧化物模板去除，通過離心分離或真空抽濾方法將酸液和去除模板的碳材料分離；將去除模板的碳材料在120℃真空干燥24小時，然后將去除模板的碳結(jié)構(gòu)進(jìn)一步活化(800℃，2小時，KOH和復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料的重量比為1∶1)，即得不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料。
本實(shí)施例不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具體為微孔0.7-2nm，大中孔4-20nm，大孔50nm-2μm，比表面積為657m2/g。
以其為電極材料，6M KOH為電解液，然后組裝為電化學(xué)電容器，容量可達(dá)到210F/g。
實(shí)施例3氯化鋅和水按照重量比1∶5混合完全溶解形成溶液I。碳酸鈉，Brij30和水按照重量比1∶1∶30混合完全溶解形成溶液II，然后在10℃條件下將上述兩種溶液體系攪拌混合，氯化鋅與碳酸鈉的重量比為1∶3，氯化鋅在碳酸根離子和水雙重作用形成其碳酸鹽/氧化物復(fù)合溶膠，加入醇溶性酚醛樹脂的乙醇溶液(酚醛樹脂和乙醇的重量比為1∶6)，酚醛樹脂與所述鋅鹽的加入重量比例為1∶2，待酚醛樹脂在水作用下完全析出后，將溶劑水和乙醇在60℃下蒸發(fā)去除(48小時)，就可以得到酚醛樹脂/氧化物復(fù)合材料，加以炭化(800℃，5小時，氬氣)，用鹽酸洗滌去除模板，將炭化產(chǎn)物和鹽酸以重量比1∶10混合，常壓下在60℃攪拌條件下反應(yīng)6小時將氧化物模板去除，通過離心分離或真空抽濾方法將酸液和去除模板的碳材料分離；將去除模板的碳材料在120℃真空干燥24小時，即得不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料。
本實(shí)施例不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具體為微孔0.7-2nm，小中孔2nm-5nm，大孔50nm-2μm，比面積為724m2/g。
以其為電極材料，6M KOH為電解液，然后組裝為電化學(xué)電容器，容量可達(dá)到190F/g。
實(shí)施例4硝酸鈷和氯化鉻和水按照重量比1∶1∶16混合完全溶解形成溶液I。氨水，P123和水按照重量比1∶0.5∶30混合完全溶解形成溶液II，然后在30℃條件下將上述兩種溶液體系攪拌混合，硝酸鈷和氯化鉻總量與氨水的重量比為1∶5，硝酸鈷和氯化鉻在弱堿(氨水)作用形成其氫氧化物溶膠，加入醇溶性酚醛樹脂的乙醇溶液(酚醛樹脂和乙醇的重量比為1∶5)，酚醛樹脂與所述金屬鈷鹽和鉻鹽的加入重量比例為1∶3，待酚醛樹脂在水作用下完全析出后，將溶劑水和乙醇在60℃下蒸發(fā)去除(48小時)，就可以得到酚醛樹脂/氧化物復(fù)合材料，加以炭化(700℃，5小時，氬氣)，用鹽酸洗滌去除模板，將炭化產(chǎn)物和鹽酸以重量比1∶5混合，常壓下在60℃攪拌條件下反應(yīng)6小時將氧化物模板去除，通過離心分離或真空抽濾方法將酸液和去除模板的碳材料分離；將去除模板的碳材料在120℃真空干燥24小時，然后將去除模板碳結(jié)構(gòu)進(jìn)一步活化(800℃，3小時，CO2)，即得不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料。
本實(shí)施例不同孔徑納米孔組合復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具體為微孔0.7-2nm，大中孔10-30nm，大孔50nm-2μm，比表面積為826m2/g。
以其為電極材料，6M KOH為電解液，然后組裝為電化學(xué)電容器，容量可達(dá)到230F/g。
權(quán)利要求
1.一種不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料，其特征在于該材料結(jié)構(gòu)為具有微孔、大孔和中孔，由不同尺度孔層次組合所形成的結(jié)構(gòu)，具有三維相互貫通關(guān)系、在微觀尺度呈現(xiàn)類海綿狀結(jié)構(gòu)，以微孔/中孔組合或以微孔/大孔可控層次組合為結(jié)構(gòu)特征，中孔為相鄰大孔間的窗口通道，微孔存在于中孔或大孔孔壁上，該碳材料的比表面積為500～1000m2/g，微孔孔徑分布在0.5～2nm，中孔孔徑在4nm至50nm范圍內(nèi)分布，大孔孔徑在50nm至2μm范圍內(nèi)分布可控，微孔、中孔或大孔的體積比例可控，微孔所占的體積比例在50-70％，中孔或大孔所占的體積比例在30-50％。
2.按照權(quán)利要求1所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料，其特征在于該碳材料結(jié)構(gòu)的中孔包括小中孔和大中孔，小中孔孔徑2nm至5nm范圍內(nèi)分布可控，大中孔孔徑在5nm至20nm范圍內(nèi)分布。
3.按照權(quán)利要求1所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料，其特征在于該碳材料的小中孔孔徑可控集中分布，大中孔或大孔孔徑可控分布，小中孔孔徑分布變化區(qū)間在2-5nm，大中孔孔徑分布變化區(qū)間為5nm至20nm，大孔孔徑分布變化區(qū)間為20nm-1μm。
4.按照權(quán)利要求1所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的制備方法，其特征在于以模板合成過程為基礎(chǔ)，通過在堿性水溶液體系中結(jié)合表面活性劑誘發(fā)氧化物溶膠模板和醇溶性樹脂原位析出方法直接合成溶膠/樹脂基復(fù)合體系，并經(jīng)續(xù)炭化和活化以及除去模板過程后得到具有納米孔層次復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳材料；具體的過程是(1)將堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物，或者與其他堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物總量和水按照重量比1∶(1-100)均勻混合完全溶解形成溶液I；同時將沉淀劑、自組裝誘發(fā)劑和水按照重量比例(0.1-10)∶(0.1-10)∶(1-50)均勻混合完全溶解形成溶液II；其中堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物的總量與沉淀劑的重量比為1∶(0.1-10)；在10-100℃常壓條件下將上述兩個溶液體系混合，通過沉淀劑和自組裝誘發(fā)劑作用下使堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物溶液中的金屬離子形成其氫氧化物或氧化物溶膠；(2)將醇溶性樹脂的乙醇溶液加入上述步驟得到的溶膠體系，樹脂和乙醇的重量比為1∶(1-20)，樹脂與堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物的重量比例為1∶(0.1-20)，待樹脂在析出劑水作用下完全析出后，將溶劑水及乙醇在60-80℃于常壓下蒸發(fā)去除，即制備出樹脂/氧化物復(fù)合體系；(3)將樹脂/氧化物復(fù)合體系先在惰性或還原性氣氛中炭化，炭化溫度在500-1000℃，炭化時間為2-6小時；將炭化產(chǎn)物和無機(jī)酸以重量比1∶(0.1-10)混合，常壓下在30-90℃攪拌條件下反應(yīng)4-6小時將氧化物模板去除，通過離心分離或真空抽濾方法將酸液和去除模板的碳材料分離；將去除模板后的碳材料在60-120℃下真空干燥1-48小時，即可。
5.按照權(quán)利要求4所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的制備方法，其特征在于根據(jù)對孔徑分布的要求，可將去除模板的碳材料采用物理活化或化學(xué)活化方法在300-800℃下處理2-6小時，可得到不同尺度、孔徑分布可控的納米孔層次復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳材料。
6.按照權(quán)利要求5所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的制備方法，其特征在于物理活化采用的活化劑為CO2、水蒸氣或空氣；化學(xué)活化采用的活化劑為KOH、ZnCl2或Fe(NO3)2，活化劑和碳材料的重量比為1∶(0.1-5)。
7.按照權(quán)利要求4所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的制備方法，其特征在于自組裝誘發(fā)劑包括嵌段共聚物、陰/陽離子性表面活性劑或非離子性表面活性劑。
8.按照權(quán)利要求4所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的制備方法，其特征在于堿土金屬或過渡族金屬的無機(jī)鹽或有機(jī)鹽或化合物包括硝酸鎂、醋酸鎂、氯化鈣、硝酸鈣、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸銅、硝酸銅、硝酸鎳、醋酸鎳、氯化鎳、硫酸鎳、醋酸鈷、硝酸鈷、硝酸鐵、硝酸鉻或高錳酸鉀。
9.按照權(quán)利要求4所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的制備方法，其特征在于沉淀劑包括氨水、尿素、碳酸氨、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、氫氧化鈉或氫氧化鉀。
10.按照權(quán)利要求1所述的不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料的應(yīng)用，其特征在于該碳材料作為電化學(xué)電容器電極材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有納米孔結(jié)構(gòu)先進(jìn)材料設(shè)計方法及制備技術(shù)，具體為一種不同尺度納米孔可控層次組合的碳材料及其制備方法和應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)過程是在堿性溶液體系中得到金屬氧化物溶膠，將醇溶性樹脂醇溶液與其混合；在此過程中，氧化物溶膠為模板，水為樹脂析出劑，直接制備樹脂/氧化物溶膠復(fù)合體系。去除溶劑后，經(jīng)過碳化和活化及模板去除過程后，可制備微孔比例可控，中孔孔徑、比例可控，大孔孔徑、比例可控，且中孔/大孔孔徑集中分布的納米孔層次組合的碳材料。本發(fā)明制備的新型納米孔層次復(fù)合結(jié)構(gòu)碳材料具有不同層次孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的離子傳輸性能和高電化學(xué)活性比表面積，可望用于高能量密度高功率密度電化學(xué)電容器用電極材料。
文檔編號C01B31/00GK101054171SQ20061004629
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者成會明, 王大偉, 李峰, 劉敏, 逯高清 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所