[發明專利]碳化脫脂棉/石墨烯復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201510169575.0
• 申請日: 2015-04-10
• 公開（公告）號: CN104882295B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 范麗珍;宋闊;宋維力
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36;H01G11/40;H01G11/34
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，具體涉及碳化脫脂棉/石墨烯復合材料的制備方法。

背景技術

隨著世界人口的快速增長和經濟的不斷發展，能源的耗盡和環境的污染直接威脅了人類的可持續發展。為了降低石油燃料的使用及減少二氧化碳的排放量，許多國家都加大了對混合電動汽車和電動汽車的研究和投入。混合電動汽車和電動汽車最關鍵的部分是電源系統，因此，開發高能量密度、高功率密度、長循環壽命、低成本、安全性能好和環境友好的高效儲能器件尤為關鍵。

早在19世紀末，存在于電化學界面中的雙電層電容性質被Helmholz發現。在上世紀50年代，美國人Becker就率先提出性能優良的電容器在能量密度方面可以和電池比肩，因此可以將其作為儲能裝置。Becker提出這個觀念后不久，在60年代，美國標準石油公司就生產出一種全新的電容器，該電容器的電極為碳材料，其工作電壓為6 V。隨后，日本電氣公司（NEC）以技術轉讓的方式獲得了該項技術。在7年后，標準石油公司也首先在電化學電容器用碳材料方面實現了商業化。在上世紀七十年代末，美國電氣公司也緊跟著開始生產超級電容器，也開創了美、日等發達國家大規模商業應用電化學電容器的先河。隨著科研工作者在材料及材料制備工藝等關鍵技術方面的屢屢突破，超級電容器在產品質量和電化學性能上不斷提升。到了上世紀末，超級電容器因為其大容量、高功率的特性逐步得到了全球市場的認可，進入了全面產業化發展時期，其市場也呈幾何倍數增長。另外，除日常生活中的應用外，超級電容器在移動通訊、信息技術、航空航天和國防科技等關系國家發展及安全的領域也有著十分廣泛的應用，許多國家制定出發展計劃，將其列為重點的研究對象之一。

在眾多的超級電容器電極材料中，多孔碳基三維網絡結構以其優良的導電性，高的比表面積，極好的電化學穩定性吸引了人們廣泛的關注，成為了該領域的研究熱點。它不僅本身具有高的比容量，而且可以作為三維網絡骨架，與其他三維網絡結構復合，從而形成雙三維網絡結構，這樣就更有利于材料表面電子與離子的傳遞與運輸，其導電性及比表面積均有所提高。更重要的是，由于碳基三維網絡結構的空間性，其可直接用作超級電容器的柔性電極材料，從而拓展了超級電容器的應用領域。

專利CN201310566939.X采用氧化石墨和多孔金屬基材為起始材料，將三維的石墨烯氣凝膠直接沉積在多孔的金屬上，從而制得三維多孔結構。本發明則是以脫脂棉為三維網絡骨架，利用更簡單的活化劑造孔，得到獨立自支撐的多孔碳基三維網絡結構，不依托于其他任何物質存在。另外，之前的專利中所講到的碳基三維網絡復合材料均為一種三維網絡結構與另外一種或幾種一維或二維的材料復合，如三維多孔結構的石墨烯基納米復合材料（專利CN201410181546.1）及石墨烯/碳納米管復合氣凝膠（專利CN201210123313.7）。本發明則不僅提到了一種單一的碳基三維網絡結構，更是提到了兩種不同的三維網絡結構進行復合，即雙三維網絡結構，這樣既保證了兩種碳基三維網絡結構的空間性（比表面積），又為作為柔性超級電容器電極提供了可能。

發明內容

本發明主要是采用碳化脫脂棉作為基體，摻雜劑或造孔劑作為活化劑，在其之上原位生成三維石墨烯，提供碳化脫脂棉/石墨烯復合材料的制備方法，制備得到的碳化脫脂棉/石墨烯具有優良的電化學性能，可作為柔性超級電容器的電極材料。并且該方法具有就地取材，價格低廉，操作簡單，環境友好，適合大批量生產等優點。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

碳化脫脂棉/石墨烯復合材料的制備方法，包括以下步驟：

A）制備碳化脫脂棉；

B）應用碳化脫脂棉與石墨烯前驅體制備碳化脫脂棉/石墨烯復合材料。

進一步地，所述步驟A）包括：商用脫脂棉直接用作原材料，無需任何預處理。首先將脫脂棉裁剪為適合于管式爐尺寸的固定形狀，置于管式爐中，在惰性氣體保護下，升至300-1000℃煅燒0.5-24 h，冷卻至室溫后取出，將煅燒后的產物置于H₂SO₄與HNO₃混合酸中超聲0.5-24 h，H₂SO₄與HNO₃的體積比為3:1。取出后用大量的去離子水沖洗，然后再在60-100℃的烘箱中保溫12-72h，得到最終的碳化脫脂棉。