CN118888350B - 一种低阶煤基二维多孔纳米片、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源储能技术领域，尤其涉及一种低阶煤基二维多孔纳米片、制备方法及应用，通过将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、表面活性剂、碱和水混合、干燥、高温碳化处理、酸洗、水洗和干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。该制备方法基于低阶煤特殊的“类氧化石墨烯”特性，富含芳香结构的同时又具有大量的含氧官能团，借助表面活性剂的结构诱导作用制备高产率的多孔纳米片，再辅以2D结构设计，增加了多孔纳米片的电子传导特性，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率，而且工艺简单，条件温和，可控性强，更加有利于工业化推广和应用。解决现有技术中存在的多孔碳纳米片制备过程复杂、成本高及产率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及新能源储能技术领域，具体为一种低阶煤基二维多孔纳米片、制备方法及应用。
背景技术
随着电动时代的来临，现代社会对能源存储设备的要求向着高能量密度、高功率密度、高安全性和长循环寿命方向发展。混合电容器（Sodium Ion Capacitor，SIC）因兼具电池高能量和超级电容器高功率的特点，将有望实现电化学储能器件高能量、高功率、长寿命、低成本等综合性能的跨越式提升。混合电容器中负极端为发生法拉第反应的“电池型”电极，包括各种碳材料、钛基材料以及转化类材料等，而正极端则为发生吸附反应的“电容型”电极，主要为多孔碳材料。基于这种特殊的构造，混合电容器有效地融合了电池和超级电容器的优势。然而，不同的储能机制使正、负极在容量匹配上存在极大的不平衡性；负极材料的储能机理为法拉第反应，比容量较高，而基于物理吸附储能机理的多孔碳正极材料的比容量较低。因此，低容量的正极材料严重限制了混合电容器的发展。基于此，开发兼具高倍率、高容量的正极材料已经成为开发高性能混合电容器的当务之急。
构建新型多孔结构是开发高性能多孔碳的重要研究方向，在众多的多孔碳材料中，具有3D结构的层次孔多孔碳和2D结构的多孔碳纳米片已被广泛用作电容型电极材料。与3D结构相比，2D结构的碳材料具有更短的传质距离和大的横向尺寸，被认为在储能领域具有更大的潜力。而具有2D结构的多孔碳材料无疑是混合电容器优越的正极材料。纳米厚度与丰富的孔隙结构相结合，一方面有助于降低孔道的曲折度，加快电解质离子在孔道内部的扩散，另一方面片状结构可使电解液直接接触到材料的外表面，加快电解质离子从液相到电极材料固相表面的外扩散，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率。石墨烯作为一种典型的二维纳米材料，具有较大的电导率和超高的理论比表面积（>2 630m2g-1），已被广泛应用于混合电容器正极材料，但其高昂的制作成本和不可逆的自堆叠仍然具有很大挑战。
当前，多孔碳纳米片的制备主要有“自上而下”法和“自下而上”法；“自上而下”法是将较厚的2D材料经过剥离得到纳米片，包括微机械剥离、机械力辅助液相剥离、离子插入辅助液剥离、离子交换辅助液相剥离、氧化辅助液相剥离和选择性刻蚀辅助液相剥离等，其优势是可制得片层较大的碳纳米片，但是厚度较厚，且该方法通常涉及到有毒或强氧化性试剂的使用，制备过程比较复杂。“自下而上”法则是通过小分子的聚合芳构化形成碳纳米片，包括化学气相沉积、湿化学合成和有机转换等，制备尽管工艺相对简单，但是产品产率比较低，无法实现产业化。
发明内容
针对现有技术中存在的多孔碳纳米片制备过程复杂、成本高及产率低的问题，本发明提供一种低阶煤基二维多孔纳米片、制备方法及应用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供一种低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，包括：
将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤；
将提纯低阶煤、表面活性剂、碱和水混合，30℃～90℃条件下，反应20～30h，干燥，得到层状中间体；其中，干燥温度为70℃～100℃；
将层状中间体进行高温碳化处理，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料进行酸洗、水洗及干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
进一步地，所述将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤的方法为：
将低阶煤进行碱溶处理，得到低阶煤液；
将低阶煤液进行酸沉处理、水洗及干燥，得到提纯低阶煤；其中，干燥温度为45℃～60℃。
进一步地，所述将低阶煤进行碱溶处理的条件为：
所述碱溶处理所用的碱液为浓度为1～12mol/L的氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液；
所述低阶煤与碱液的质量比为1:（3～15）；
所述碱溶处理时间为1～6h，温度为20℃～90℃。
进一步地，所述将低阶煤液进行酸沉处理的条件为：
所述酸沉处理所用的酸液为浓度为1～12mol/L的盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液和氢氟酸溶液中的一种或多种；
所述低阶煤液与酸液的质量比为1:（3～15）；
所述酸沉处理时间为1～6h，温度为20℃～60℃。
进一步地，所述提纯低阶煤、表面活性剂和碱的质量比为2:1:（8～12）。
进一步地，所述将层状中间体进行高温碳化处理的温度为200℃～1000℃，升温速率为0.5～5℃/min，高温碳化处理的时间为2～6h。
进一步地，所述将多孔碳材料进行酸洗时采用为0.1～2mol/L的盐酸溶液。
优选地，所述低阶煤为风化煤或褐煤。
一种低阶煤基二维多孔纳米片，利用上述方法制备。
如上述的低阶煤基二维多孔纳米片在制备混合电容器正极中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，该方法通过将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、表面活性剂、碱和水混合，干燥，得到层状中间体；将层状中间体进行高温碳化处理，得到多孔碳材料；将多孔碳材料进行酸洗、水洗及干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。该方法采用低阶煤为碳源，与其他煤相比，其富含稠环芳烃的结构特性，使其获得更大尺寸的碳纳米片，且具有较高的碳产率；通过低阶煤与表面活性剂在高温反应下均匀混合，形成了稳定的层状液质微晶结构，使其在经历高温碳化后，通过二维自组装得到超薄的二维多孔结构，该结构有助于降低孔道的曲折度，加快电解质离子在孔道内部的扩散，另一方面片状结构可使电解液直接接触到材料的外表面，加快电解质离子从液相到电极材料固相表面的外扩散，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率，制备工艺简单，生产成本较低，易于大规模生产。
本发明提供一种低阶煤基二维多孔纳米片，利用上述方法制备。该低阶煤基二维多孔纳米片产率高，且具有二维多孔片状结构，有助于降低孔道的曲折度，加快电解质离子在孔道内部的扩散，可使电解液直接接触到材料的外表面，加快电解质离子从液相到电极材料固相表面的外扩散，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率。
如上述的低阶煤基二维多孔纳米片在制备混合电容器正极中的应用，制备的电容器具有更高的充放电速度和能量密度，且具有更好的电容性能和循环稳定性，成本低，易于实现产业化，在超级电容器等储能领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例1制备的低阶煤基二维多孔纳米片的SEM图。
图3为本发明实施例1-3制备的低阶煤基二维多孔纳米片的XRD图。
图4为本发明实施例1-3制备的低阶煤基二维多孔纳米片的Raman图。
图5为本发明实施例1-3制备的低阶煤基二维多孔纳米片的N2吸脱附曲线图。
图6为本发明实施例1-3制备的低阶煤基二维多孔纳米片的倍率性能图。
具体实施方式
为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值（包括整数与分数）。
本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思，例如“A包含a”涵盖了“A包含a和其他”和“A仅包含a”的意思。
本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开了一种低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，包括：
S1：将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤，具体为：
将低阶煤进行碱溶处理，得到低阶煤液：将低阶煤置于浓度为1～12mol/L的氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液中，20℃～90℃条件下，碱溶处理时间为1～6h，充分搅拌，离心，取上清液，为低阶煤液；其中，所述低阶煤与碱液的质量比为1:（3～15）；
将低阶煤液进行酸沉处理、水洗及干燥，得到提纯低阶煤：将低阶煤液与浓度为1～12mol/L的盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液和氢氟酸溶液中的一种或多种的酸液混合，20℃～60℃条件下进行酸沉处理1～6h，然后进行多次水洗至溶液为中性，离心，45℃～60℃条件下干燥，得到提纯低阶煤；其中，低阶煤液与酸液的质量比为1:（3～15）。
S2：将提纯低阶煤、表面活性剂、碱和水混合，干燥，得到层状中间体，具体为：
将提纯低阶煤、表面活性剂和碱按质量比为2:1:（8～12）混合于水中，形成混合液，30℃～90℃条件下，反应20～30h，70℃～100℃条件下干燥，得到层状中间体，其中，混合液中碱的浓度为0.7～1.1mol/L。
S3：将层状中间体进行高温碳化处理，得到多孔碳材料，具体为：
在高纯氮气或氩气保护气氛下，将层状中间体以升温速率为0.5～5℃/min，升温至200℃～1000℃进行高温碳化处理2～6h，得到多孔碳材料；
S4：将多孔碳材料进行酸洗、水洗及干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片，具体为：
将多孔碳材料在浓度为0.1～2mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后进行多次水洗至中性，50℃～80℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
优选地，所述低阶煤为风化煤或褐煤；所述表面活性剂为两性二嵌段共聚物或两性三嵌段共聚物，优选为F127或P123。
实施例1
将褐煤置于6mol/L的氢氧化钠溶液中，60℃条件下，进行碱溶处理3h；所述碱溶处理的褐煤与氢氧化钠溶液质量比为1:10；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于6mol/L的盐酸溶液中，50℃条件下进行酸沉处理4h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:10；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:10溶于去离子水中，形成混合液，90℃条件下搅拌24h，70℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为0.7mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以2℃/min的升温速度加热至800℃高温碳化处理2h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，50℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例2
将褐煤置于6mol/L的氢氧化钠溶液中，60℃条件下，进行碱溶处理3h；所述碱溶处理的褐煤与氢氧化钠溶液质量比为1:10；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于6mol/L的盐酸溶液中，50℃条件下进行酸沉处理4h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:10；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；
将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:8溶于去离子水中，形成混合液，90℃条件下搅拌24h，70℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为0.7mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以2℃/min的升温速度加热至800℃高温碳化处理2h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，50℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例3
将褐煤置于6mol/L的氢氧化钠溶液中，60℃条件下，进行碱溶处理3h；所述碱溶处理的褐煤与氢氧化钠溶液质量比为1:10；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于6mol/L的盐酸溶液中，50℃条件下进行酸沉处理4h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:10；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:12溶于去离子水中，形成混合液，90℃条件下搅拌24h，70℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为0.7mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以2℃/min的升温速度加热至800℃高温碳化处理2h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，50℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
参见图2至图5，为测试本发明制备的低阶煤基二维多孔纳米片的性能，将实施例1-3所制备的低阶煤基二维多孔纳米片依次进行SEM、XRD、Raman及N2吸脱附测试，可见，本发明制备的低阶煤基二维多孔纳米片呈海绵状，具有明显的开放孔隙，有助于降低孔道的曲折度，加快电解质离子在孔道内部的扩散，可使电解液直接接触到材料的外表面，加快电解质离子从液相到电极材料固相表面的外扩散，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率。ID/IG值为1.6以上，表明制备的低阶煤基二维多孔纳米片存在更多的缺陷，进一步表明该二维多孔纳米片具有更多的活性位点。其N2吸脱附曲线图中比表面积均大于为1700m2g-1，表明该低阶煤基二维多孔纳米片具有更高的比表面积，高比表面积的电极材料通常具有更加复杂的孔结构和更多的孔隙通道，这有助于电解液中的离子在电极材料内部快速传输，细小的颗粒粒径和更多的表面缺陷也可能改善电极材料的电子导电性，从而提高整体的电化学性能。
参见图6，为测试本实施例1-3制备的低阶煤基二维多孔纳米片作为正极材料的性能，将本实施例1-3制备的低阶煤基二维多孔纳米片分别与导电炭黑、聚偏二氟乙烯按8:1:1的比例混合，得到正极浆料；将正极浆料均匀的涂覆在铝箔上，真空干燥后裁成直径为15mm的电极片；将该电极片作为工作电极，钠片为对电极，玻璃纤维为隔膜，NaClO4为电解液，在充满氩气的手套箱内进行电池组装。并进行倍率性能测试，结果发现，当电流密度从0.1增加到10Ag-1（120.9到88mAhg-1）时，材料实现了73.3%的高容量保持率。需要说明的是图中LCN4-LCN6分别指碱与提纯低阶煤的用量比为4:1、5:1和6:1。
实施例4
将风化煤置于1mol/L的氢氧化钾溶液中，90℃条件下，进行碱溶处理6h；所述碱溶处理的风化煤与氢氧化钾溶液质量比为1:15；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于1mol/L的盐酸溶液中，60℃条件下进行酸沉处理6h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:15；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:11溶于去离子水中，形成混合液，80℃条件下搅拌26h，80℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为0.8mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以2℃/min的升温速度加热至500℃高温碳化处理4h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，60℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例5
将风化煤置于2mol/L的氢氧化钾溶液中，80℃条件下，进行碱溶处理3h；所述碱溶处理的风化煤与氢氧化钾溶液质量比为1:6；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于2mol/L的盐酸溶液中，45℃条件下进行酸沉处理3h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:6；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:10溶于去离子水中，形成混合液，50℃条件下搅拌30h，100℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为1mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以0.5℃/min的升温速度加热至200℃高温碳化处理6h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，70℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例6
将风化煤置于12mol/L的氢氧化钠溶液中，20℃条件下，进行碱溶处理2h；所述碱溶处理的风化煤与氢氧化钠溶液质量比为1:5；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于10mol/L的盐酸溶液中，20℃条件下进行酸沉处理6h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:8；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:9溶于去离子水中，形成混合液，20℃条件下搅拌30h，100℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为1.1mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以5℃/min的升温速度加热至1000℃高温碳化处理2h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为0.5mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，70℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例7
将褐煤置于10mol/L的氢氧化钠溶液中，30℃条件下，进行碱溶处理1h；所述碱溶处理的褐煤与氢氧化钠溶液质量比为1:7；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于9mol/L的氢氟酸溶液中，40℃条件下进行酸沉处理2h；所述低阶煤液与氢氟酸溶液的质量比为1:7；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钾按质量比为2:1:12溶于去离子水中，形成混合液，70℃条件下搅拌29h，80℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为0.9mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以2℃/min的升温速度加热至700℃高温碳化处理4h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为1mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，70℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例8
将褐煤置于10mol/L的氢氧化钠溶液和10mol/L的氢氧化钾溶液的混合液中，45℃条件下，进行碱溶处理5h；所述碱溶处理的褐煤与碱液质量比为1:7；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于11mol/L的盐酸溶液中，55℃条件下进行酸沉处理1h；所述低阶煤液与盐酸溶液的质量比为1:13；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、P123和氢氧化钠按质量比为2:1:10溶于去离子水中，形成混合液，75℃条件下搅拌28h，90℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液的浓度为0.75mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以3℃/min的升温速度加热至600℃高温碳化处理4h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为1.5mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，70℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例9
将褐煤置于9mol/L的氢氧化钾溶液的混合液中，45℃条件下，进行碱溶处理3h；所述碱溶处理的褐煤与氢氧化钾溶液质量比为1:9；充分搅拌后离心，取上清液，得到低阶煤液；将低阶煤液置于9mol/L的硫酸溶液中，55℃条件下进行酸沉处理1h；所述低阶煤液与硫酸溶液的质量比为1:13；酸沉处理后，进行所述多次洗涤及离心，直至溶液接近中性，干燥，得到提纯低阶煤；将提纯低阶煤、F127和氢氧化钠按质量比为2:1:12溶于去离子水中，形成混合液，35℃条件下搅拌30h，70℃条件下干燥，得到层状中间体；混合液浓度为1.05mol/L；
将层状中间体置于N2气氛下以1℃/min的升温速度加热至600℃高温碳化处理4h，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料采用浓度为2mol/L的盐酸溶液中进行酸洗，然后水洗至中性，70℃条件下干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
实施例10
一种低阶煤基二维多孔纳米片，利用实施例1-9任一实施例所述方法制备。该低阶煤基二维多孔纳米片产率高，且具有二维多孔片状结构，有助于降低孔道的曲折度，加快电解质离子在孔道内部的扩散，可使电解液直接接触到材料的外表面，加快电解质离子从液相到电极材料固相表面的外扩散，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率。
实施例11
如实施例10所述的低阶煤基二维多孔纳米片在制备混合电容器正极中的应用。制备的电容器具有更高的充放电速度和能量密度，且具有更好的电容性能和循环稳定性，成本低易于实现产业化，在超级电容器等储能领域具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明提供一种低阶煤基二维多孔纳米片、制备方法及应用。提出一种“自中而上”制备低阶煤基多孔碳二维碳纳米片的新型制备方法。该方法基于低阶煤特殊的“类氧化石墨烯”特性，即富含芳香结构的同时又具有大量的含氧官能团，借助表面活性剂的结构诱导作用制备高产率的多孔碳纳米片，再辅以2D结构设计，增加了多孔碳的电子传导特性，进而大幅提高电极材料在电化学反应中的利用效率，而且工艺简单，条件温和，可控性强，更加有利于工业化推广和应用。所得碳纳米片在混合电容器中展现出了优异的电化学性能。本方法不仅有望获得高性能混合电容器用多孔碳纳米片电极材料，而且有助于拓宽低阶煤的应用领域。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，包括：
将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤；具体为：将低阶煤进行碱溶处理，得到低阶煤液；将低阶煤液进行酸沉处理、水洗及干燥，得到提纯低阶煤；
将提纯低阶煤、表面活性剂、碱和水混合，30℃～90℃条件下，反应20～30h，干燥，得到层状中间体；干燥温度为70℃～100℃；
将层状中间体进行高温碳化处理，得到多孔碳材料；
将多孔碳材料进行酸洗、水洗及干燥，得到低阶煤基二维多孔纳米片。
2.根据权利要求1所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述将低阶煤进行提纯，得到提纯低阶煤的干燥温度为45℃～60℃。
3.根据权利要求2所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述将低阶煤进行碱溶处理的条件为：
所述碱溶处理所用的碱液为浓度为1～12mol/L的氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液；
所述低阶煤与碱液的质量比为1:（3～15）；
所述碱溶处理时间为1～6h，温度为20℃～90℃。
4.根据权利要求2所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述将低阶煤液进行酸沉处理的条件为：
所述酸沉处理所用的酸液为浓度为1～12mol/L的盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液和氢氟酸溶液中的一种或多种；
所述低阶煤液与酸液的质量比为1:（3～15）；
所述酸沉处理时间为1～6h，温度为20℃～60℃。
5.根据权利要求1所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述提纯低阶煤、表面活性剂和碱的质量比为2:1:（8～12）。
6.根据权利要求1所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述将层状中间体进行高温碳化处理的温度为200℃～1000℃，升温速率为0.5～5℃/min，高温碳化处理的时间为2～6h。
7.根据权利要求1所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述将多孔碳材料进行酸洗时采用0.1～2mol/L的盐酸溶液。
8.根据权利要求1所述的低阶煤基二维多孔纳米片的制备方法，其特征在于，所述低阶煤为风化煤或褐煤。
9.一种低阶煤基二维多孔纳米片，其特征在于，利用权利要求1-8任一项所述方法制备。
10.如权利要求9所述的低阶煤基二维多孔纳米片在制备混合电容器正极中的应用。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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