一种多级孔结构纳米碳材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于材料技术领域，涉及一种多级孔结构纳米碳材料、多级孔结构纳米碳材料的制备方法及其应用。

背景技术：

随着全球变暖，能源的生产和储存成为当今社会关注的焦点。为了满足人类社会日益增长的能源需求，在2050年人类所需要的电力为14tw，相当于现在的两倍，而生产这些电力每年需要消耗的化石燃料相当于10¹⁰吨石油。然而传统能源日益枯竭，并且会带来严重的环境污染问题，所以开发可再生清洁能源迫在眉睫。在众多的能源中，电能被认为是一种最具有潜力的清洁能源，但是电能的存储与携带需要载体，关键是开发电能存储系统。

在多种电能载体如锂离子电池，超级电容器，太阳能电池中，锂离子电容器作为一种新型的储能器件，具有功率密度高、静电容量高和循环寿命比较长的优点，有望在新能源汽车、太阳能、风能等领域得到广泛的应用。活性炭是一种理想的锂离子电容器的正极材料，如碳纳米管、石墨烯、纳米碳球等都在锂离子电容器中得到广泛应用。但是这些材料往往具有一种介孔或微孔结构，在充放电过程中不能够充分发挥锂离子电容器功率密度高的特点。而多级孔结构往往能够促进锂离子电容器充放电过程中的离子传输与电子传输速率，因而显著提高锂离子电容器的能量密度与功率密度。

目前制备具有多级孔结构的碳材料依然面临着严峻的挑战，尤其是对于多级孔尺寸的控制，很难得到同时具有微孔、小介孔、大介孔的多级孔结构。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多级孔结构纳米碳材料及其制备方法和应用，该多级孔结构纳米碳材料由碳纳米片构成，具有微孔、介孔与大孔的多级孔结构，显著提升了电子与物质的传输效率。所述的一种多级孔结构纳米碳材料的制备方法步骤简便、环境友好、能够大量制备。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多级孔结构纳米碳材料，其特点在于，所述多级孔结构碳材料是由碳纳米片组成，或者所述多级孔结构纳米碳材料具有微孔、小介孔、大介孔的多级孔结构。

一种制备多级孔结构纳米碳材料的方法，其包括如下步骤：以沙漏型聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中进行碳化，得到多级孔结构碳材料；上述的沙漏型聚合物组装体由聚合物通过分子内环化诱导自组装得到，所述聚合物是1,2,4,5-均苯四甲酸二酐和肼的交替共聚物，含有大量的苯环，结构规整。

其中，上述的沙漏型聚合物组装体的制备方法包括如下步骤：将聚合物以50.0～150.0mg/ml的浓度溶于二甲基甲酰胺中，对该聚合物溶液进行热处理，通过分子内环化诱导自组装得到沙漏型聚合物组装体分散液，冷却后进行离心，真空干燥，得到沙漏型聚合物组装体粉末。

在上述的沙漏型聚合物组装体的制备方法中，所述热处理的温度为153℃，热处理时间为10-60分钟。

在上述的多级孔结构碳材料的制备方法中，惰性气体可以为氮气、氢气和氨气中的一种或几种；煅烧的温度可以为700～1200℃；所述沙漏型聚合物组装体是由梭形纳米片构成。

上述的多级孔结构碳材料可以作为吸附材料或者锂离子电容器的电极材料而得以应用。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明提供的多级孔结构碳材料是由碳纳米片组成，并在内部相互连接，互相贯穿，因此具有微孔、小介孔、大介孔的多级孔结构，利于电子与物质的有效传输，能够显著提高电化学储能性能。

第二、本发明的多级孔结构碳材料制备步骤简便，可以大量制备。聚合完成之后直接将聚合物的溶液进行热处理进行分子内环化诱导自组装，能够在单一溶剂中通过一锅法得到，无需透析过程。离心干燥后即可得到沙漏型聚合物组装体，在惰性气氛中碳化后得到多级孔结构碳材料，制备步骤简便、周期短、并且能够大量制备。

第三、聚合物是1,2,4,5-均苯四甲酸二酐和肼的交替共聚物，由于聚合物的规整结构与芳香结构，碳化后得到的多级孔结构纳米碳材料具有高度石墨化的结构，具有非常好的导电能力与储能能力。此外，多级孔结构纳米碳材料具有的微孔、小介孔、大介孔的多级孔结构，利于电子与物质的有效传输，能够作为锂离子电容器的活性电极材料使用。

第四、本发明的多级孔结构碳材料是通过沙漏型聚合物组装体直接碳化后得到，具有可控的多级孔结构，具备微孔、介孔与大孔三种孔结构。多级孔结构使得多级孔结构碳材料具有优异的吸附性能，因此能够作为高效吸附材料使用。

附图说明

图1为本发明实施例一中的沙漏型聚合物组装体的扫描电子显微镜(sem)图。

图2为本发明实施例一中的多级孔结构碳材料的透射电子显微镜(tem)图。

图3为本发明实施例一中的多级孔结构碳材料的孔结构分布图。

图4为本发明实施例一中的多级孔结构碳材料的吸附性能图。

图5为本发明实施例一中的多级孔结构碳材料的电化学性能图。

具体实施方式

本发明提供了一种制备多级孔结构纳米碳材料及其制备方法，以及该多级孔结构纳米碳材料的应用。

<多级孔结构碳材料>

本发明提供的多级孔结构纳米碳材料是由碳纳米片构成，内部形成贯穿的三维网络，并且具备微孔、小介孔和大介孔的多级孔结构。

<制备多级孔结构碳材料的方法>

本发明的多级孔结构碳材料的制备方法如下：以沙漏型聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中进行碳化，得到多级孔结构碳材料。

其中，沙漏型聚合物组装体由聚合物通过分子内环化诱导自组装而成。该聚合物是1,2,4,5-均苯四甲酸二酐和肼的交替共聚物，含有大量的苯环，结构规整。

沙漏型聚合物组装体的制备方法为：将聚合物以50.0～150.0mg/ml的浓度溶于二甲基甲酰胺(dmf)中，在搅拌条件下对其进行热处理，通过分子内环化诱导自组装得到沙漏型聚合物组装体分散液，将沙漏型聚合物组装体分散液冷却后离心并真空烘干后得到沙漏型聚合物组装体，该沙漏型聚合物组装体是由梭形纳米片组成。在该方法中，采用直接热处理的方法诱导聚合物进行自组装，可以显著提高组装体的固含量，并且具备大量制备的条件。

在上述的沙漏型聚合物组装体的制备方法中，所述热处理的温度为153℃，热处理时间为10-60分钟，优选为10分钟。

在上述的多级孔结构碳材料的制备方法中，惰性气体可以为氮气、氢气和氨气中的一种或几种。碳化煅烧的温度为700～1200℃。

<多级孔结构碳材料的应用>

1.本发明的多级孔结构碳材料可以用作吸附材料。

本发明的多级孔结构碳材料是以沙漏型聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中碳化而得。沙漏型聚合物组装体由1,2,4,5-均苯四甲酸二酐和肼的交替共聚物通过自组装而成。因为沙漏型聚合物组装体是由梭形纳米片组成，因此煅烧后形成的多级孔结构碳材料具有多级孔结构，能够作为吸附材料使用。

2.本发明的多级孔结构碳材料可以用作锂离子电容器的活性电极材料。

本发明的多级孔结构碳材料是以沙漏型聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中碳化而得。该多级孔结构碳材料是由碳纳米片组成，并且具有微孔、小介孔、大介孔的多级孔结构，能够在充放电过程中促进电子与离子的传输速率，因此能够作为锂离子电容器的活性电极材料使用，并显著提高锂离子电容器的能量密度与功率密度。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

本实施例提供了一种多级孔结构纳米碳材料及其制备方法，所述多级孔结构纳米碳材料由碳纳米片构成，内部形成贯穿的三维网络，并具有微孔、小介孔和大介孔多级孔结构。其制备方法包括如下步骤：

(1)、沙漏型聚合物组装体的制备步骤：

将1000mg聚合物以50mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在油浴锅中加热至153℃，并在该温度下保温10分钟，随后自然冷却至室温，得到含有沙漏型聚合物组装体的溶液。将该溶液进行离心，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到沙漏型聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、多级孔结构碳材料的制备步骤：

在氮气的保护下，将步骤(1)中所得的沙漏型聚合物组装体(粉末形式)在700℃碳化，700℃保温2小时后，自然冷却至室温，得到具有多级孔结构的多级孔结构碳材料。

如图1所示，所得的沙漏型聚合物组装体具有规整的结构，可以清晰地看到是由梭形纳米片组成。图2表明所得的多级孔结构碳材料由碳纳米片组装而成，在纳米片之间有大量的空隙，并非是实心结构。对所得的多级孔结构碳材料进行孔径分布分析发现该多级孔结构碳材料具有多级孔结构，分别是0.98nm的微孔、3.8nm、8.3nm的小介孔与16nm、28nm的大介孔，如图3所示。图4为多级孔结构碳材料吸附亚甲基蓝的效果，从图中可知，吸附完成之后，几乎所有的亚甲基蓝都被多级孔结构碳材料所吸附，因此是一种理想的吸附材料。如图5所示，电化学分析表明多级孔结构碳材料用于锂离子电容器的电极材料使用时，表现出很高的比容量，并且具有优异的循环稳定性，因此是一种理想的电化学储能材料。

实施例二

本实施例提供了一种多级孔结构纳米碳材料及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)、沙漏型聚合物组装体的制备步骤：

将1000mg聚合物以100mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在油浴锅中加热至153℃，并在该温度下保温25分钟，随后自然冷却至室温，得到含有沙漏型聚合物组装体的溶液。将该溶液进行离心，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到沙漏型聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、多级孔结构碳材料的制备步骤：

在氮气的保护下，将步骤(1)中所得的沙漏型聚合物组装体(粉末形式)在900℃碳化，900℃保温2小时后，自然冷却至室温，得到具有多级孔结构的多级孔结构碳材料。

实施例三

本实施例提供了一种多级孔结构纳米碳材料及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)、沙漏型聚合物组装体的制备步骤：

将1000mg聚合物以125mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在油浴锅中加热至153℃，并在该温度下保温40分钟，随后自然冷却至室温，得到含有沙漏型聚合物组装体的溶液。将该溶液进行离心，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到沙漏型聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、多级孔结构碳材料的制备步骤：

在氢气的保护下，将步骤(1)中所得的沙漏型聚合物组装体(粉末形式)在1000℃碳化，1000℃保温2小时后，自然冷却至室温，得到具有多级孔结构的多级孔结构碳材料。

实施例四

本实施例提供了一种多级孔结构纳米碳材料及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)、沙漏型聚合物组装体的制备步骤：

将1000mg聚合物以150mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在油浴锅中加热至153℃，并在该温度下保温60分钟，随后自然冷却至室温，得到含有沙漏型聚合物组装体的溶液。将该溶液进行离心，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到沙漏型聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、多级孔结构碳材料的制备步骤：

在氨气的保护下，将步骤(1)中所得的沙漏型聚合物组装体(粉末形式)在1200℃碳化，1200℃保温2小时后，自然冷却至室温，得到具有多级孔结构的多级孔结构碳材料。

综上，本发明的多级孔结构碳材料的制备方法以沙漏型聚合物组装体作为前驱体，具体而言，是利用聚合物在dmf中进行热处理后通过分子内环化诱导自组装得到沙漏型聚合物组装体分散液，通过离心、洗涤和真空干燥后，得到沙漏型聚合物组装体(粉末形式)。以该沙漏型聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中进行碳化，制成多级孔结构碳材料。在该制备方法中，由于沙漏型聚合物组装体是由梭形纳米片构成(图1)，因此碳化后保留了沙漏型聚合物组装体的结构，得到的多级孔结构碳材料由碳纳米片组成，并且具有多级孔结构。该制备方法步骤简便，操作简单，原料成本低，可大量制备多级孔结构碳材料。所得的多级孔结构碳材料具有多级孔结构，可以高效吸附污水中的污染物，是一种理想的吸附材料。此外，多级孔结构碳材料的多级孔结构在充放电过程中可以有效促进电子与离子的传输，因此能够显著提高其储能能力，是一种理想的储能材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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