一种室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法

本发明涉及一种工业化生产三维多孔碳技术(室温反溶剂沉淀法)，所制备的材料可应用于电化学能源存储及转化，属于纳米材料制备技术和电化学能源转换与存储应用领域。

背景技术：

1、三维多孔碳材料被广泛应用于电化学能源存储和转化，其多孔性的特征易于电解液渗透及与电极材料接触，从而表现出高电化学活性。此外，三维多孔碳材料同时具有比表面积大、电导性优异、导热性良好及机械强度高等优点，因此，三维多孔碳材料可应用于不同的领域中。例如：锂/钠/钾离子电池、超电容、锂/锌-空气电池、锂/钠-二氧化碳电池、锂/钠/钾-硫电池、锂金属电池、电催化析氢/析氧以及二氧化碳还原等。

2、目前，水热、溶剂热、溶胶凝胶和静电纺丝技术是制备三维多孔碳材料的主要方法，但这些方法由于水热与溶剂热的高温高压条件、溶胶凝胶的添加剂需求以及静电纺丝的制备特殊性等原因，导致生产成本高，合成过程复杂，产率低，不适合大规模产业化应用。相比之下，利用可溶性盐模板的喷雾干燥及冷冻干燥方法解决了产率低下的难题，一定程度上降低了成本和过程复杂性。然而，营造高温和低温环境仍然不可避免的导致能源消耗，并需要配套的大型辅助设备，且合成过程漫长。此外，上述策略需要多种类型模板原料之间的调配才能构筑分级多孔结构材料，进一步增加了成本以及提高了实验复杂性。以上挑战制约了三维多孔碳材料在电化学领域中产业化的大规模制备应用。因此，开发高效、廉价、产率高且环境友好的合成策略来制备三维多孔碳材料仍然是一个难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提供一种室温高效制备三维多孔碳材料的普适性方法，其产量大、效率高、合成原料成本低且使用模板和溶剂可回收利用。该方法不仅过程简单，可控性好，重复性高，且形貌易于调控，只需单一模板即可制备三维分级多孔结构材料，适合大规模产业化应用。本发明解决上述技术问题的技术方案是：

2、一种室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，利用可溶性无机盐作模板，选用有机碳源，通过室温反溶剂沉淀并一步热解制备三维多孔碳材料。

3、进一步地，包括如下的步骤：

4、(1)选用一种或几种可溶性无机盐为盐模板，选用一种或多种有机碳源，将有机碳源和盐模板溶解于水中，得到混合溶液a；

5、(2)选取反溶剂，将所得混合溶液a倒入反溶剂中，再过滤干燥，制得白色前驱体粉末分别标记为b；

6、(3)在还原气氛下煅烧所制得的前驱体粉末b，获得煅烧产物；

7、(4)除去可溶性盐模板，制备得到三维多孔碳材料。

8、进一步地，步骤(1)中，有机碳源中碳原子与可溶性盐模板摩尔质量比1:2～3:1。

9、进一步地，步骤(1)中，可溶性无机盐模板为氯化钠(nacl)、硫酸钠(na2so4)、碳酸钠(na2co3)、硅酸钠(na2sio4)、氯化钾(kcl)、硫酸钾(k2so4)、碳酸钾(k2co3)和硅酸钾(k2sio4)。

10、进一步地，步骤(1)中的有机碳源为柠檬酸铵(c6h5o7(nh4)3)、羧甲基纤维素钠(cmc)、葡萄糖(c6h12o6)、蔗糖(c12h22o11)、柠檬酸、多巴胺、乳糖、果糖、明胶、麦芽糖、苹果酸、酒石酸、草酸、草酸铵、乙酸铵。

11、进一步地，步骤(1)中，利用甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇和乙醚作为反溶剂。

12、进一步地，步骤(2)中，反溶剂与混合容易a的体积比1:2～25:1。

13、进一步地，步骤(2)中，过滤后的反溶剂通过加热或日光光照蒸馏回收再利用。

14、进一步地，步骤(3)方法为：将制得的前驱体粉末b放置在炉中，通入含氢体积0～50％的氢氩混合气，以1～10℃/min速率升温至450℃保温0～3h，继续升温至600～750℃保温2～5h，冷却至室温得到煅烧产物。

15、与现有技术相比，本发明方法具有以下优势：(1)工业级的反溶剂可循环使用，采用nacl等可溶性无机盐(可回收再利用)作模板，可利用水洗方法清洗和自然干燥再回收，显著降低成本；(2)室温反溶剂沉淀方法合成前驱体不依赖大型设备辅助，效率高且几乎无能耗；(3)单一模板能够替代两种及两种类型以上模板来制备分级多孔结构，避免了多种模板的调配和消耗，提高了基础研究和制备效率，进一步降低成本；(4)制备的三维多孔碳材料结构可调控性强，且有机碳源种类丰富，可针对不同能源催化和存储应用实行定制设计和制备；(5)制备产物的产量大且可控性好，易于未来大规模产业化制备和应用。

技术特征：

1.一种室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，利用可溶性无机盐作模板，选用有机碳源，通过室温反溶剂沉淀并一步热解制备三维多孔碳材料。

2.根据权利要求1所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

3.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，有机碳源中碳原子与可溶性盐模板摩尔质量比1:2～3:1。

4.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，可溶性无机盐模板为氯化钠(nacl)、硫酸钠(na2so4)、碳酸钠(na2co3)、硅酸钠(na2sio4)、氯化钾(kcl)、硫酸钾(k2so4)、碳酸钾(k2co3)和硅酸钾(k2sio4)。

5.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中的有机碳源为柠檬酸铵(c6h5o7(nh4)3)、羧甲基纤维素钠(cmc)、葡萄糖(c6h12o6)、蔗糖(c12h22o11)、柠檬酸、多巴胺、乳糖、果糖、明胶、麦芽糖、苹果酸、酒石酸、草酸、草酸铵、乙酸铵。

6.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，利用甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇和乙醚作为反溶剂。

7.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，反溶剂与混合容易a的体积比1:2～25:1。

8.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，过滤后的反溶剂通过加热或日光光照蒸馏回收再利用。

9.根据权利要求2所述的室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤(3)方法为：将制得的前驱体粉末b放置在炉中，通入含氢体积0～50％的氢氩混合气，以1～10℃/min速率升温至450℃保温0～3h，继续升温至600～750℃保温2～5h，冷却至室温得到煅烧产物。

技术总结
本发明提供一种一种室温快速可控制备三维多孔碳材料的方法，利用可溶性无机盐作模板，选用有机碳源，通过室温反溶剂沉淀并一步热解制备三维多孔碳材料。本发明不仅过程简单，可控性好，重复性高，且形貌易于调控，只需单一模板即可制备三维分级多孔结构材料，适合大规模产业化应用。

技术研发人员：何春年,陈伯超
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15