專利名稱：多孔碳材材料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔材料，且特別是涉及多孔碳材材料及其制作方法。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器是能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性發(fā)展，并且將來(lái)可能在某些領(lǐng)域之中取代傳統(tǒng)蓄電池。超級(jí)電容器可以說(shuō)是一種隨著材料科學(xué)的進(jìn)步而出現(xiàn)的新型功率型儲(chǔ)能組件，其為一種通過(guò)極化電解液來(lái)存儲(chǔ)電能的新型電化學(xué)裝置。超級(jí)電容器自面市以來(lái)全球需求量快速擴(kuò)大，已成為化學(xué)電源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)超級(jí)新秀，且超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)、混合燃料汽車(chē)、特殊載重汽車(chē)、電力、鐵路、通信、國(guó)防、消費(fèi)性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。由于超級(jí)電容器具有充放電速度快、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被定 義成本世紀(jì)新型的綠色能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。從電力使用品質(zhì)的觀點(diǎn)而言，使用超級(jí)電容器有許多優(yōu)于電池的地方，像是較高的功率輸出、充放效率與循環(huán)壽命(> 200，000次)，此外還可以提供瞬間的功率提升與煞車(chē)時(shí)電力的回充之用，從節(jié)能的觀點(diǎn)而言是不可或缺的輔助能源來(lái)源。此外，在不斷電系統(tǒng)中也可以利用超級(jí)電容器放電快速的特性，而能夠在斷電瞬間實(shí)時(shí)提供電力以彌補(bǔ)電池本質(zhì)上應(yīng)答時(shí)間的落差。一般來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器的電極主要為多孔性結(jié)構(gòu)，其可為具有大表面積的微納米結(jié)構(gòu)，以用于生成靜電荷儲(chǔ)存器的電雙層，其是以在電容器的電極板上直接形成靜電電荷的形式來(lái)儲(chǔ)存電能，此種儲(chǔ)存形式稱為非法拉第(non-Faradic),意指電極界面各處并未發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。由于目前的商用超級(jí)電容器受限其碳電極材料的比表面積較小(500-1000m2/g)，因此，其能量密度偏低(< 5Wh/kg)，電容量約在5-35F/g附近。大表面積與良好孔洞性質(zhì)的碳電極材料將可有效的提升超級(jí)電容器的整體效能，但是目前此種碳電極材料的制造技術(shù)(參考美國(guó)第1274453號(hào)專利)需要比較長(zhǎng)的制造時(shí)間(大約3-7天)與較高的能量(2000°C的處理溫度)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可提升電荷儲(chǔ)存量并可快速傳輸電解質(zhì)的電荷的多孔碳材材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種簡(jiǎn)單且較短時(shí)間制作多孔碳材材料的方法。本發(fā)明一實(shí)施方式提供一種多孔碳材材料的制作方法，包括使一表面活性劑與一碳源材料溶于一溶劑中，以形成一有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液；配制一硅酸鹽水溶液；將有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入硅酸鹽水溶液中，以析出一中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物包含表面活性劑、碳源材料與一氧化硅模板；對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行一加熱制程，以使中間產(chǎn)物碳化；以及移除氧化娃模板，以形成一多孔碳材材料。本發(fā)明一實(shí)施方式提供一種多孔碳材材料，包括一多孔碳結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)大孔洞、多個(gè)中孔洞與多個(gè)微孔洞，其中各大孔洞的孔徑大于50納米，各中孔洞的孔徑為2納米 50納米，各微孔洞的孔徑小于2納米，多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積約為700 3000平方米每克，以多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為基準(zhǔn)，大孔洞的比表面積的分布比例為10 35%，中孔洞的比表面積的分布比例為25 40 %，微孔洞的比表面積的分布比例為30 60 %。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的多孔碳材材料具有微孔洞、中孔洞、與大孔洞，因此，當(dāng)將其應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳電極上時(shí)，可通過(guò)微孔洞有效提升碳電極的表面積，并通過(guò)中孔洞與大孔洞作為電解質(zhì)的電荷傳輸管道，進(jìn)而達(dá)到提升電荷儲(chǔ)存量與快速傳輸電解質(zhì)的電荷的功能；本發(fā)明的制作方法制作成本低廉、制作時(shí)間短且所需耗費(fèi)的能量較低，因此，有利于多孔碳材材料的大量制造。


圖I繪示本發(fā)明一實(shí)施例的多孔碳材材料的制作流程圖；圖2為第一實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡(TEM)的影像； 圖3為第二實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像；圖4為第三實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像；圖5為第四實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像；圖6為第五實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像；圖7為第六實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像；圖8繪示第三實(shí)施例、第四實(shí)施例與第五實(shí)施例的多孔碳材材料的氮?dú)馕?脫附曲線；其中，102、104、106、108、110、112 步驟。
具體實(shí)施例方式以下以實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)了解的是以下的敘述提供許多不同的實(shí)施例或例子，用以實(shí)施本發(fā)明的不同樣態(tài)。以下所述特定的元件及排列方式僅用以舉例說(shuō)明，而非用以限定本發(fā)明。在附圖中，實(shí)施例的形狀或是厚度僅用以說(shuō)明，并非用以限定本發(fā)明。再者，圖中未繪示或描述的元件，可為所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者所知的形式。本發(fā)明是通過(guò)將有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液與硅酸鹽水溶液混摻的方式形成一具有表面活性劑、碳源材料、與氧化硅的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料，之后，將其碳化并移除氧化硅，以形成一具有多個(gè)大孔洞、中孔洞與微孔洞的多孔碳材材料。圖I繪示本發(fā)明一實(shí)施例的多孔碳材材料的制作流程圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，在步驟102中，使一表面活性劑溶于一溶劑中。具體而言，溶劑例如為水、醇類、或前述的組合、或是其它適合的溶劑材料，其中醇類例如為乙醇。在一實(shí)施例中，溶劑包括水與乙醇，且水與乙醇的體積比為I : 2，在其它的實(shí)施例中，水與乙醇的體積比亦可為I : 1、5 I或10 I。表面活性劑的材質(zhì)例如為明膠(Gelatin)、環(huán)氧乙燒環(huán)氧丙燒三嵌段共聚物(Pluronic F127,EO106PO70EO106)、聚乙二醇(PEG10000)、或前述的組合、或是其它適合的表面活性材料。詳細(xì)而言，步驟102是將表面活性劑置于溶劑中并攪拌數(shù)分鐘，以幫助表面活性劑溶于溶劑中，此時(shí)，溶有表面活性劑的溶劑呈現(xiàn)澄清液的狀態(tài)。
在步驟104中，使一碳源材料溶于溶劑中，以形成一有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液。具體而言，碳源材料的材質(zhì)例如為酚醛樹(shù)脂、經(jīng)交聯(lián)及非交聯(lián)聚丙烯腈共聚物、磺化的交聯(lián)聚苯乙烯共聚物、經(jīng)改質(zhì)的交聯(lián)聚苯乙烯共聚物、交聯(lián)的蔗糖、聚糠醇、聚氯乙烯、或前述的組合、或是其它適合的碳源材料，其中酚醛樹(shù)脂例如為苯酚-甲醛縮合共聚物、或間苯二酚-甲醛縮合共聚物。詳細(xì)而言，步驟104為將碳源材料加入溶有表面活性劑的溶劑中，舉例來(lái)說(shuō)，可以是將O. 5至10重量份的碳源材料加入溶有I至5重量份的表面活性劑的溶劑中，此時(shí)，可將溶劑置于恒溫槽中，以使碳源材料與溶劑平衡并達(dá)到設(shè)定溫度(例如30°C、40°C、5(rC等)，并在設(shè)定溫度下攪拌數(shù)小時(shí)(例如4小時(shí))，以形成有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液，其含有高分子微胞。在步驟106中，配制一硅酸鹽水溶液。詳細(xì)而言，步驟106為將一硅酸鹽(例如硅酸鈉)置于水中，并加以攪拌以使其溶于水中，而形成硅酸鹽水溶液，舉例來(lái)說(shuō)，可以將4至12重量份的硅酸鹽溶于水中之后，將硅酸鹽水溶液調(diào)至一預(yù)反應(yīng)的PH值，并通過(guò)將其置于恒溫槽中使其達(dá)到一設(shè)定溫度(例如1°C 99°C、或約30°C )，并經(jīng)過(guò)一熟化時(shí)間(例如 7 8分鐘)。在一實(shí)施例中，硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值為2 7，例如約為4。在另一實(shí)施例中，硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約小于2。在又一實(shí)施例中，硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約大于7。接著，在步驟108中，將有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入硅酸鹽水溶液中，以析出一中間產(chǎn)物，其中中間產(chǎn)物含有表面活性劑、碳源材料與一氧化硅模板。詳細(xì)而言，步驟108為快速地將有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入硅酸鹽水溶液中，此時(shí)，有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液與硅酸鹽水溶液的混合溶液會(huì)立刻析出一白色中間產(chǎn)物，此步驟是利用氧化硅縮合反應(yīng)固定有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液的形狀而形成白色中間產(chǎn)物。之后，對(duì)白色中間產(chǎn)物進(jìn)行水洗、過(guò)濾、與烘干處理，即可得到含有表面活性劑、碳源材料與氧化娃模板的中間產(chǎn)物。之后，在步驟110中，對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行一加熱制程，以使中間產(chǎn)物碳化。詳細(xì)而言，步驟110可以是將中間產(chǎn)物置于石英管中，并放入高溫爐中，以在氮?dú)獾沫h(huán)境中于一碳化溫度下對(duì)中間產(chǎn)物加熱數(shù)小時(shí)以進(jìn)行碳化。在一實(shí)施例中，加熱制程例如為在750°C 8500C (例如800°C )下對(duì)中間產(chǎn)物加熱I小時(shí) 3小時(shí)(例如2小時(shí))。然后，在步驟112中，移除氧化硅模板，以形成一多孔碳材材料。詳細(xì)而言，步驟112可以是將碳化后的中間產(chǎn)物置于一強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的溶液中，例如是氫氟酸(HF)溶液中，以通過(guò)氫氟酸溶液移除氧化硅模板。具體而言，氫氟酸溶液的濃度例如為4. 8wt%，且氧化硅模板與氫氟酸溶液的重量比為I : 50。本發(fā)明是利用高分子混摻(polymer blends)的特性將表面活性劑與碳源材料進(jìn)行混摻而形成一含有高分子微胞的有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液，之后，再通過(guò)氧化硅縮合反應(yīng)固定有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液的形狀而形成介尺度材料，并在氮?dú)猸h(huán)境下對(duì)此介尺度材料進(jìn)行碳化，然后，以氫氟酸水溶液移除氧化硅而得到多孔碳材材料。并且，可依需求改變多孔碳材材料的制程條件，以制作出具有規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)與高表面積的多孔碳材材料，且制作成本低廉而有利于大量制造。此外，相較于習(xí)知制作碳電極材料需要耗費(fèi)比較長(zhǎng)的制造時(shí)間(大約3-7天)與較高的能量(2000°C處理溫度)，本發(fā)明的制作方式可有效縮短多孔碳材材料的制作時(shí)間(例如縮短至I天以內(nèi))，并可降低所需耗費(fèi)的能量(750°C 850°C處理溫度)。以下將詳細(xì)介紹以前述制作方法所制得的多孔碳材材料的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施方式的多孔碳材材料包括一多孔碳結(jié)構(gòu)，其具有多個(gè)大孔洞、多個(gè)中孔洞與多個(gè)微孔洞，其中各大孔洞的孔徑大于50納米，各中孔洞的孔徑為2納米 50納米，各微孔洞的孔徑小于2納米。多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積可約為700 3000平方米每克。以多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為基準(zhǔn)，大孔洞的比表面積的分布比例可為10 35%，中孔洞的比表面積的分布比例可為25 40%，微孔洞的比表面積的分布比例可為30 60%。在一實(shí)施方式中，多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積可約為1200 2500平方米每克。以多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為基準(zhǔn)，大孔洞的比表面積的分布比例例如為15 29%，中孔洞的比表面積的分布比例例如為30 36%，微孔洞的比表面積的分布比例例如為37 54%。一般而言，當(dāng)將多孔碳材材料應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳電極上時(shí)，多孔碳材材料的 孔洞大小會(huì)影響超級(jí)電容器的電荷儲(chǔ)存量的比電容，詳細(xì)而言，微孔洞的數(shù)量增加可有效提升碳電極的比表面積，進(jìn)而有效提升比電容，而中孔洞與大孔洞可有助于電解質(zhì)的電荷的實(shí)時(shí)傳輸。以習(xí)知技術(shù)所制得的多孔碳材材料大致上可分為兩類，其中一類為微孔洞碳材材料，其具有大量的微孔洞(以微孔洞碳材材料的比表面積為基準(zhǔn)，微孔洞的比表面積的分布比例是大于85%);另一類為大孔洞碳材材料，其具有大量的大孔洞。然而，當(dāng)多孔碳材材料的微孔洞比例過(guò)高時(shí)，由于多孔碳材材料缺乏中孔洞與大孔洞，因此，電解質(zhì)不易深入多孔碳材材料的內(nèi)部，以致于僅有多孔碳材材料的表面適于儲(chǔ)存電荷，從而降低超級(jí)電容器的比電容。此外，多孔碳材材料的大孔洞比例過(guò)高會(huì)導(dǎo)致多孔碳材材料的比表面積偏低，從而降低超級(jí)電容器的比電容。由前述可知，本發(fā)明是形成一同時(shí)具有微孔洞、中孔洞、與大孔洞的多孔碳材材料，因此，當(dāng)將多孔碳材材料應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳電極上時(shí)，可利用微孔洞有效提升碳電極的表面積(700 3000m2/g)，同時(shí)利用中孔洞與大孔洞作為電解質(zhì)的電荷傳輸管道(大孔洞比例10 35%、中孔洞比例25 40% )，以使電解質(zhì)的電荷可通過(guò)中孔洞與大孔洞而順暢地到達(dá)位于碳電極的表面與底層的微孔洞的表面。如此一來(lái)，可增加碳電極的可使用厚度，并可充分利用所有碳電極的微孔洞的表面積，進(jìn)而達(dá)到提升電荷儲(chǔ)存量與快速傳輸電解質(zhì)的電荷的功能。以下將詳細(xì)介紹本發(fā)明的多孔碳材材料的制作方法的多個(gè)實(shí)施例，且下述多個(gè)實(shí)施例的表面活性劑為環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷三嵌段共聚物(Pluixmic F127)，碳源材料為酚醛樹(shù)脂，硅酸鹽水溶液為硅酸鈉水溶液。由于下述實(shí)施例實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)大致相同而僅有部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同，因此，以下僅針對(duì)第一實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的制程描述，對(duì)于第二至第六實(shí)施例則僅描述與第一實(shí)施例不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。第一實(shí)施例首先，將表面活性劑-環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷三嵌段共聚物(Pluixmic F127)2g溶于一由水與乙醇所構(gòu)成的溶劑(水與乙醇的體積比值為O. 5，總重50g)中，并攪拌數(shù)分鐘，此時(shí)，溶有表面活性劑的溶劑呈現(xiàn)澄清液的狀態(tài)。接著，將碳源材料-酚醛樹(shù)脂(O. 5-4g)溶于溶劑中，以形成一有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液。此時(shí)，可將溶劑置于恒溫槽中，以使碳源材料與溶劑平衡并達(dá)到設(shè)定溫度(30°C)，并在設(shè)定溫度下攪拌4小時(shí)，以形成有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液。此外，將硅酸鹽-硅酸鈉(Sg)置于水(150g)中，并加以攪拌以使其溶于水中，而形成硅酸鹽水溶液，之后，將硅酸鹽水溶液調(diào)至一預(yù)反應(yīng)的PH值(pH = 4)，并通過(guò)將其置于恒溫槽中使其達(dá)到一設(shè)定溫度(40°C )，并經(jīng)過(guò)一熟化時(shí)間(7 8分鐘)。之后，快速地將有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入硅酸鹽水溶液中，此時(shí)，有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液與硅酸鹽水溶液的混合溶液會(huì)立刻析出一白色中間產(chǎn)物。之后，對(duì)白色中間產(chǎn)物進(jìn)行水洗、過(guò)濾、與烘干處理，即可得到含有表面活性劑、碳源材料與氧化硅模板的中間產(chǎn)物。然后，將中間產(chǎn)物置于石英管中，并放入高溫爐中，以在氮?dú)獾沫h(huán)境中于一碳化溫度(800°C )下對(duì)中間產(chǎn)物加熱2小時(shí)以進(jìn)行碳化。之后，將碳化后的中間產(chǎn)物置于一氫氟酸溶液(濃度為4. 8wt% )中，以通過(guò)氫氟 酸溶液移除氧化硅模板，且氧化硅模板與氫氟酸溶液的重量比為I : 50。圖2為第一實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡(TEM)的影像。第二實(shí)施例第二實(shí)施例的操作步驟同第一實(shí)施例，但其中將反應(yīng)控制條件調(diào)整如下I.硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約為4 ；2.(碳源材料與溶劑以及硅酸鹽水溶液的)設(shè)定溫度為40°C ；3.溶劑包括水與乙醇，且水與乙醇的體積比值為I。圖3為第二實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像。第三實(shí)施例第三實(shí)施例的操作步驟同第一實(shí)施例，但其中將反應(yīng)控制條件調(diào)整如下I.硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約為4 ；2.(碳源材料與溶劑以及硅酸鹽水溶液的)設(shè)定溫度為40°C ；3.溶劑包括水與乙醇，且水與乙醇的體積比值為5。圖4為第三實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像。請(qǐng)參照?qǐng)D2至圖4，由圖2至圖4可知隨著溶劑中的乙醇的比例增加，所生成的多孔碳材材料具有較多的規(guī)則排列(well-order)的圓球狀結(jié)構(gòu)(圖2、圖3)。當(dāng)水的比例過(guò)高時(shí)(第三實(shí)施例)則會(huì)有型態(tài)上的改變，乙醇的濃度降低會(huì)導(dǎo)致所生成的多孔碳材材料具有較多的短條狀結(jié)構(gòu)(圖4)，但還是可以觀察到短條狀結(jié)構(gòu)是由多個(gè)圓球狀結(jié)構(gòu)相互連結(jié)而成的。第四實(shí)施例第四實(shí)施例的操作步驟同第一實(shí)施例，但其中將反應(yīng)控制條件調(diào)整如下I.硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約為4 ；2.(碳源材料與溶劑以及硅酸鹽水溶液的)設(shè)定溫度為30°C ；3.溶劑包括水與乙醇，且水與乙醇的體積比值為I。圖5為第四實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像。第五實(shí)施例第五實(shí)施例的操作步驟同第一實(shí)施例，但其中將反應(yīng)控制條件調(diào)整如下
I.硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約為4 ；2.(碳源材料與溶劑以及硅酸鹽水溶液的)設(shè)定溫度為30°C ；3.溶劑包括水與乙醇，且水與乙醇的體積比值為2。圖6為第五實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像。第六實(shí)施例第六實(shí)施例的操作步驟同第一實(shí)施例，但其中將反應(yīng)控制條件調(diào)整如下I.硅酸鹽水溶液的預(yù)反應(yīng)的pH值約為10 ；2.(碳源材料與溶劑以及硅酸鹽水溶液的)設(shè)定溫度為30°C ；3.溶劑為水。 詳細(xì)而言，在第六實(shí)施例中，溶劑為水，且有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液呈酸性(pH值約為3 6,最佳條件為4),以分散碳源材料,娃酸鹽水溶液呈堿性(pH值為10)?？上葘⒃撍嵝杂袡C(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入該堿性硅酸鹽水溶液中，以形成一混合溶液，由于混合時(shí)PH值會(huì)改變，故再將混合溶液的PH值調(diào)成約為10。圖7為第六實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的穿透式電子顯微鏡的影像。由圖7可知，第六實(shí)施例所制得的多孔碳材材料的結(jié)構(gòu)呈圓球狀且孔洞結(jié)構(gòu)排列整齊。第六實(shí)施例的制作方法可毋須使用乙醇。此外，在比較圖2-7之后可知，當(dāng)(碳源材料與溶劑以及硅酸鹽水溶液的)設(shè)定溫度升高時(shí)(圖2-4，第一實(shí)施例、第二實(shí)施例、第三實(shí)施例)，孔壁結(jié)構(gòu)較為整齊，因此，可通過(guò)調(diào)整設(shè)定溫度來(lái)改變孔壁的結(jié)構(gòu)。圖8繪示第三實(shí)施例、第四實(shí)施例與第五實(shí)施例的多孔碳材材料的氮?dú)馕?脫附曲線。由圖8可以發(fā)現(xiàn)在低的相對(duì)壓力(PA3ci = Oj)下就存在有吸附量，這是來(lái)自于微孔洞的孔壁對(duì)氮?dú)獾膯螌游?。隨著Ρ/Ρο增加，氮?dú)馕搅恐饾u上升，在Ρ/Ρο = O. 40時(shí)出現(xiàn)一毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象而造成陡峭的氮?dú)馕搅浚藭r(shí)，氮?dú)獯笾律咸顫M微孔洞。由毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象的陡峭程度可判斷出樣品孔洞大小的一致性，愈陡峭代表孔洞大小愈一致。由圖8可知第三實(shí)施例、第四實(shí)施例與第五實(shí)施例的多孔碳材材料在在PA3ci =
O.40時(shí)都有出現(xiàn)陡峭的氮?dú)馕搅?，因此，第三?shí)施例、第四實(shí)施例與第五實(shí)施例的多孔碳材材料的孔洞大小相當(dāng)一致。當(dāng)相對(duì)壓力P/P。= O. 4 O. 95時(shí),氮?dú)庵饾u填滿中孔洞。當(dāng)P/P0 = O. 95時(shí),氮?dú)馕搅吭絹?lái)越明顯,這表示所形成的多孔碳材材料的孔洞越來(lái)越大。下表I列出第三實(shí)施例、第四實(shí)施例、第五實(shí)施例與市售的多孔碳材材料的氮?dú)馕?脫附測(cè)試的結(jié)果，其中市售的多孔碳材材料是購(gòu)自永隆科技股份有限公司。前述氮?dú)馕?脫附測(cè)試結(jié)果包括多孔碳材材料的比表面積、以及以多孔碳材材料的比表面積為基準(zhǔn)時(shí)，大孔洞、中孔洞與微孔洞所占的比表面積比。表I比表面積大孔洞中孔洞微孔洞__(m2/g)(%)(%)__(%)
第三實(shí)施例__1284.00 27.1__342__38.7
第四實(shí)施例__1354.82 15.931.1__53.0
第五實(shí)施例__1550.35 21.231.9__40.9
市售的多孔碳材材料 1043.623.9 8.0 88.1由表I可知，相較于市售的多孔碳材材料，第三實(shí)施例、第四實(shí)施例、第五實(shí)施例的多孔碳材材料皆具有較高的比表面積，并且皆具備比例均勻的大孔洞、中孔洞與微孔洞，因此，可通過(guò)微孔洞有效提升碳電極的表面積，并通過(guò)中孔洞與大孔洞作為電解質(zhì)的電荷傳輸管道，進(jìn)而達(dá)到提升電荷儲(chǔ)存量與快速傳輸電解質(zhì)的電荷的功能。

綜上所述，本發(fā)明的制作方法主要是利用高分子混摻的特性將表面活性劑與碳源材料進(jìn)行混摻而形成一有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液，之后，再通過(guò)氧化硅縮合反應(yīng)固定有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液的形狀而形成介尺度材料，并對(duì)其進(jìn)行碳化以及移除氧化硅，以形成多孔碳材材料。本發(fā)明的制作方法由于制作成本低廉、制作時(shí)間短且所需耗費(fèi)的能量較低，因此，有利于大量制造。此外，本發(fā)明的多孔碳材材料具有微孔洞、中孔洞、與大孔洞，因此，當(dāng)將其應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳電極上時(shí)，可通過(guò)微孔洞有效提升碳電極的表面積，并通過(guò)中孔洞與大孔洞作為電解質(zhì)的電荷傳輸管道，進(jìn)而達(dá)到提升電荷儲(chǔ)存量與快速傳輸電解質(zhì)的電荷的功能。本發(fā)明雖以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求書(shū)所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種多孔碳材材料的制作方法，包括 使一表面活性劑與一碳源材料溶于一溶劑中，以形成一有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液； 配制一硅酸鹽水溶液； 將該有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入該硅酸鹽水溶液中，以析出一中間產(chǎn)物，該中間產(chǎn)物包含該表面活性劑、該碳源材料與一氧化娃模板； 對(duì)該中間產(chǎn)物進(jìn)行一加熱制程，以使該中間產(chǎn)物碳化；以及 移除該氧化硅模板，以形成一多孔碳材材料。
2.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該溶劑為水、醇類、或前述的組口 o
3.如權(quán)利要求2所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該溶劑為乙醇、或水和乙醇的組合。
4.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該硅酸鹽水溶液的pH值為2 7。
5.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該硅酸鹽水溶液的pH值小于2。
6.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該硅酸鹽水溶液的pH值大于7。
7.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該溶劑為水，且該有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液呈酸性，該硅酸鹽水溶液呈堿性，將該有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入該硅酸鹽水溶液中，以析出該中間產(chǎn)物的方法包括 將酸性的該有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入堿性的該硅酸鹽水溶液中，以形成一混合溶液；以及 將該混合溶液的PH值調(diào)成為10。
8.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中配制該硅酸鹽水溶液的方法包括 將一硅酸鹽溶于水中，以形成該硅酸鹽水溶液； 將該硅酸鹽水溶液調(diào)整至一預(yù)反應(yīng)的PH值；以及 使該硅酸鹽水溶液達(dá)到一設(shè)定溫度，該設(shè)定溫度為1°C 99°C。
9.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該表面活性劑的材質(zhì)為明膠、環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷三嵌段共聚物、聚乙二醇、或前述的組合。
10.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該碳源材料的材質(zhì)為酚醛樹(shù)月旨、經(jīng)交聯(lián)及非交聯(lián)聚丙烯腈共聚物、磺化的交聯(lián)聚苯乙烯共聚物、經(jīng)改質(zhì)的交聯(lián)聚苯乙烯共聚物、交聯(lián)的蔗糖、聚糠醇、聚氯乙烯、或前述的組合。
11.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中該加熱制程包括在750°C 850°C下對(duì)該中間產(chǎn)物加熱I小時(shí) 3小時(shí)。
12.如權(quán)利要求I所述的多孔碳材材料的制作方法，其中移除該氧化硅模板的步驟包括 以一強(qiáng)酸溶液或強(qiáng)堿溶液移除該氧化硅模板。
13.—種多孔碳材材料，包括一多孔碳結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)大孔洞、多個(gè)中孔洞與多個(gè)微孔洞，其中各該大孔洞的孔徑大于50納米，各該中孔洞的孔徑為2納米 50納米，各該微孔洞的孔徑小于2納米，該多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為700 3000平方米每克，以該多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為基準(zhǔn)，所述大孔洞的比表面積的分布比例為10 35%，所述中孔洞的比表面積的分布比例為25 40%，所述微孔洞的比表面積的分布比例為30 60%。
14.如權(quán)利要求13所述的多孔碳材材料，其中該多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為1200 2500平方米每克。
15.如權(quán)利要求14所述的多孔碳材材料，其中以該多孔碳結(jié)構(gòu)的比表面積為基準(zhǔn)，所述大孔洞的比表面積的分布比例為15 29%，所述中孔洞的比表面積的分布比例為30 36%，所述微孔洞的比表面積的分布比例為37 54%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多孔碳材材料的制作方法，包括使一表面活性劑和一碳源材料溶于一溶劑中，以形成一有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液；配制一硅酸鹽水溶液；將有機(jī)物模板前驅(qū)物溶液倒入硅酸鹽水溶液中，以析出一中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物包含表面活性劑、碳源材料與一氧化硅模板；對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行一加熱制程，以使中間產(chǎn)物碳化；以及移除氧化硅模板，以形成一多孔碳材材料。本發(fā)明還涉及一種多孔碳材料的制作方法。
文檔編號(hào)C01B31/00GK102674313SQ201110195100
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者林弘萍, 林有銘, 蔡協(xié)和, 陳立基 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院