本申請涉及碳材料，具體涉及一種碳材料及其制備方法和應用方法。

背景技術：

1、隨著石化行業的發展，乙烯裂解工藝和催化裂化工藝在石化行業的位置愈發重要，這兩類工藝在操作過程中會副產乙烯焦油(約占乙烯產能15％左右)和催化裂化柴油(約占柴油產能的30％)兩種富芳烴油。其中，工業上將乙烯焦油主要用作燃料，這不僅造成溫室效應、空氣污染等環境問題，還會造成其富含的芳烴資源的浪費。催化柴油則主要是通過加氫工藝將其轉化為輕質芳烴以及苯-甲苯-二甲苯混合物以實現催化柴油的升級利用，但這些工藝耗能高且經濟效益低下。因此，如何高效合理地將乙烯焦油和催化柴油轉化為高附加值材料具有重要意義和實用價值。由于兩種副產品油均為富芳烴油，具有富碳和易發生親電取代反應的特征，故利用其這兩個特征將兩種富芳烴油通過轉變為富碳的大分子聚合物(縮合多環多核芳烴樹脂)后再進行碳化制得高附加值電極用碳材料是一條高效利用兩種富芳烴油的有效路徑。這不僅能將副產品油中的芳烴有效地轉變為高附加值碳材料，還可以提升石油煉化系統的經濟效益和完善石油加工流程工藝。

2、一般地，在碳材料用于離子半徑稍大的堿金屬離子(比如，鈉離子)電池負極時，對碳材料的層間距、無序度等有一定的要求。然而，乙烯焦油和催化柴油均屬于是富芳烴油，使用傳統交聯劑(比如，對苯二甲醇、二乙烯基苯、三聚甲醛、苯甲醛和對苯二甲醛)盡管能夠將其轉變為縮合多環多核芳烴樹脂基碳材料，但其表現出與瀝青類似的軟碳行為，即層間距和無序度較低，這不利于離子半徑大的堿金屬離子存儲。

3、因此，如何提升縮合多環多核芳烴樹脂基碳材料的金屬離子儲存能力，成為了一個亟待解決的問題。

技術實現思路

1、本申請的目的在于提供一種碳材料及其制備方法和應用方法，以提升縮合多環多核芳烴樹脂基碳材料的金屬離子儲存能力。

2、本申請實施例提供了一種碳材料的制備方法，該碳材料的制備方法包括：將多聚甲醛、酚類物質和堿性溶液混合后進行反應，得到多羥基酚類交聯劑；將富芳烴油與生物質混合后加入多羥基酚類交聯劑進行交聯縮合反應，得到縮合多環多核芳烴樹脂；將縮合多環多核芳烴樹脂進行碳化，得到碳材料。

3、其中，將多聚甲醛、酚類物質和堿性溶液混合后進行反應，得到多羥基酚類交聯劑，包括：將多聚甲醛和酚類物質溶解于堿性溶液中形成混合溶液；將混合溶液在第一預定溫度下進行攪拌反應第一預定時間，然后進行靜置分離第二預定時間，得到多羥基酚類交聯劑，其中，第一預定溫度為20～90℃，第一預定時間為3～48h，第二預定時間為6～24h。

4、其中，酚類物質包括苯酚、鄰苯二酚、對苯二酚、間苯二酚、間苯三酚、對叔丁基酚、對特辛基酚、對甲基酚中的一種或多種；堿性溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀和氨水中的任意一種或多種組合的水溶液，且堿性溶液的質量濃度為2％～50％；多聚甲醛與酚類物質的質量比為(30～55)：(45～70)；多聚甲醛與堿性溶液中堿的質量比為(1～2.5)：(0.5～1.5)。

5、其中，富芳烴油包括催化柴油、乙烯焦油、乙烯焦油剩余料和乙烯焦油輕餾分中的一種或多種；生物質包括水解單寧酸、縮合單寧酸、纖維素、淀粉和木質素中的一種或多種。

6、其中，富芳烴油、生物質和多羥基酚類交聯劑的質量比為(45～55)：(5～20)：(25～50)。

7、其中，將富芳烴油與生物質混合后加入多羥基酚類交聯劑進行交聯縮合反應，得到縮合多環多核芳烴樹脂，包括：將富芳烴油與生物質混合后加入多羥基酚類交聯劑，在第二預定溫度下進行攪拌反應第三預定時間，得到縮合多環多核芳烴樹脂，其中，第二預定溫度為120～260℃，第三預定時間為2～10h。

8、其中，將縮合多環多核芳烴樹脂進行碳化，得到碳材料，包括：將縮合多環多核芳烴樹脂進行煅燒，得到碳材料。

9、其中，煅燒的升溫速率為1～5℃/min；煅燒的終點溫度為800～1600℃；煅燒的保溫時間為1～10h；煅燒在保護氣體氛圍下進行。

10、本申請實施例還提供了一種碳材料，該碳材料采用上述任一項的碳材料的制備方法制得。

11、本申請實施例還提供了一種碳材料的應用方法，該碳材料的應用方法包括：采用上述碳材料制作金屬離子電池負極。

12、本申請提供的碳材料及其制備方法和應用方法，通過將多聚甲醛、酚類物質和堿性溶液混合后進行反應，得到多羥基酚類交聯劑，然后將富芳烴油與生物質混合后加入多羥基酚類交聯劑進行交聯縮合反應，得到縮合多環多核芳烴樹脂，之后將縮合多環多核芳烴樹脂進行碳化，得到碳材料，從而提供了一種以石化富芳烴油和生物質為原料制備可作為鈉離子電池電極材料的高性能碳材料的方法，并且該方法通過將富含極性官能團的生物質引入石化富芳烴油中，并通過多羥基酚類交聯劑將石化富芳烴油與富含極性官能團的生物質相互連接起來，能夠實現在所得到的縮合多環多核芳烴樹脂中引入極性官能團(比如，含氧官能團)，以調控最終制得的縮合多環多核芳烴樹脂基碳材料的結構性能，從而可大幅提升最終制得的縮合多環多核芳烴樹脂基碳材料的金屬離子儲存能力，使其利于離子半徑大的堿金屬離子存儲，能夠在金屬離子電池中獲得良好應用。

技術特征：

1.一種碳材料的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述將多聚甲醛、酚類物質和堿性溶液混合后進行反應，得到多羥基酚類交聯劑，包括：

3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述酚類物質包括苯酚、鄰苯二酚、對苯二酚、間苯二酚、間苯三酚、對叔丁基酚、對特辛基酚、對甲基酚中的一種或多種；所述堿性溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀和氨水中的任意一種或多種組合的水溶液，且所述堿性溶液的質量濃度為2％～50％；所述多聚甲醛與所述酚類物質的質量比為(30～55)：(45～70)；所述多聚甲醛與所述堿性溶液中堿的質量比為(1～2.5)：(0.5～1.5)。

4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述富芳烴油包括催化柴油、乙烯焦油、乙烯焦油剩余料和乙烯焦油輕餾分中的一種或多種；所述生物質包括水解單寧酸、縮合單寧酸、纖維素、淀粉和木質素中的一種或多種。

5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述富芳烴油、所述生物質和所述多羥基酚類交聯劑的質量比為(45～55)：(5～20)：(25～50)。

6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述將富芳烴油與生物質混合后加入所述多羥基酚類交聯劑進行交聯縮合反應，得到縮合多環多核芳烴樹脂，包括：

7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述將所述縮合多環多核芳烴樹脂進行碳化，得到碳材料，包括：

8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述煅燒的升溫速率為1～5℃/min；所述煅燒的終點溫度為800～1600℃；所述煅燒的保溫時間為1～10h；所述煅燒在保護氣體氛圍下進行。

9.一種碳材料，其特征在于，采用權利要求1-8任一項所述的制備方法制得。

10.一種碳材料的應用方法，其特征在于，包括：

技術總結
本申請涉及一種碳材料及其制備方法和應用方法，制備方法包括：將多聚甲醛、酚類物質和堿性溶液混合后進行反應，得到多羥基酚類交聯劑；將富芳烴油與生物質混合后加入多羥基酚類交聯劑進行交聯縮合反應，得到縮合多環多核芳烴樹脂；將縮合多環多核芳烴樹脂進行碳化，得到碳材料，從而提供了一種以石化富芳烴油和生物質為原料制備可作為鈉離子電池電極材料的高性能碳材料的方法，并可實現在所得到的縮合多環多核芳烴樹脂中引入含氧官能團，從而可大幅提升最終制得的縮合多環多核芳烴樹脂基碳材料的金屬離子儲存能力，能夠在金屬離子電池中獲得良好應用。

技術研發人員：曹發海,張遠琴,崔靈瑞,李濤,魏興國
受保護的技術使用者：華東理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24