[發明專利]一步法制備類石墨烯碳納米片材料的方法及其用途

有效

• 申請號: 201710155086.9
• 申請日: 2017-03-16
• 公開（公告）號: CN108630453B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 王煥磊;崔永朋;毛楠
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/34;H01G11/38;H01G11/86
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• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種以纖維素基材料為前驅體來制備超級電容器電極材料的方法。該方法是將纖維素類前驅體和不同種類、不同濃度的活化劑進行充分混合，然后將混合均勻的混合物置于管式爐中在200~500℃下保溫一定時間進行預碳化，之后繼續升溫至800~1200℃保溫一定時間進行化學活化。將得到的產物依次進行酸和/或去離子水清洗至中性，得到碳納米片材料。該方法得到的碳納米片材料具有高比表面積、多級孔結構、類石墨烯結構、高比容量等特點，制備這種碳材料具有成本低、方法簡單、可大批量生產的優勢。作為超級電容器電極材料表現出了優異的電容性能。

技術領域

本發明屬于化學能源材料領域，提供了一種活化碳化一步法制備纖維素基碳納米片材料的方法，以及作為超級電容器電極在以離子液體為電解液體系中的應用。

背景技術

能源儲存與轉化一直是現代社會發展的挑戰之一，能夠解決環境問題和能源危機。而在能源儲存與轉化器件中，超級電容器具有功率密度高，循環壽命長等優點，被廣泛應用于高功率的啟動裝置。與電池相比，超級電容器的能量密度較低，因此，尋找一種在不損耗功率密度的前提下的高能量密度的材料是目前研究的瓶頸。碳材料是現在超級電容器中的主導材料之一。多孔碳材料具有較高的比表面積，可以調控的孔結構，優異的導電性，環境友好和低成本等優點。在碳材料電極表面與電解液界面可以形成一種雙電層來吸附電荷儲存能量，故需要電極材料具有較大的比表面積及豐富的孔結構。

目前，實驗室中能合成各種具有不同的形貌、孔隙和結構的碳材料，比如：活性炭、模板碳、碳化物衍生碳、碳納米管和石墨烯等。它們各自具有不同的優缺點，模板碳的合成過程能夠有效地控制比表面積和孔隙率，但是復雜的合成步驟和繁瑣的清洗過程限制了碳的大批量生產。碳化物衍生碳是通過移走碳化物中的非碳元素，獲得具有高比表面積的碳結構，但制備過程中有毒氣體（如：氯氣）的使用對生活環境造成了較大的破壞。碳納米管和石墨烯等新型碳結構具有較好的孔隙率和比表面積，但是其昂貴的價格限制了它的廣泛使用。而傳統的活化方法可以大批量的生產多孔碳材料，但它的微觀形貌不能得到一個較好的調控、并且對電解液具有較差的潤濕性，從而在能量儲存與轉化器件中不能得到較好的電化學性能。因此，為了克服傳統活化法的不足，我們探索了一種新型的活化碳化一步進行的方法。

活化碳化一步法的主要挑戰是尋找合適的前驅體和活化劑，活化技術包括物理活化和化學活化。活化過程主要是控制合適的孔隙率和較高的比表面積。本專利是使用纖維素基材料（甲基纖維素，微晶纖維素，羧甲基纖維素，氰乙基纖維素，木質纖維素，硝化纖維素等）作為前驅體進行化學活化（活化劑：KOH, NaOH, K₂CO₃, Na₂CO₃, KHCO₃, NaHCO₃等）來獲得碳納米片材料。這種方法在相對較低的熱解溫度和較短的活化過程就能得到碳納米片材料，而且不需要復雜的清洗過程。不同的活化劑對微觀形貌的調控有不同的作用，為了控制碳材料的結構和形貌，我們采用單一活化劑和兩種活化劑共用的策略實現了二維/三維碳納米片材料的制備。我們將這種碳納米片材料應用到超級電容器電極中，在離子液體體系以及室溫和低于室溫的溫度范圍內能夠表現出卓越的電化學性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種活化碳化一步進行的方法，利用纖維素類前驅體制備出了類石墨烯碳納米片材料，且這種碳材料在作為超級電容器電極材料時具有較好的電化學性能。

為了解決上述的技術問題，本發明采用的技術方案是：

取一定量的纖維素類前驅體放置于研缽/燒杯中，按照一定的配比加入活化劑，通過機械混合或溶液混合使其混合均勻。將混合好的復合物經過普通烘箱干燥或冷凍干燥后放置到管式爐中，在惰性氣氛保護下以設定的升溫速度升溫至碳化溫度，并在此溫度下保溫一定時間，再升溫到更高的溫度保溫一定時間進行活化。冷卻后得到碳化樣品。將樣品用稀鹽酸和/或去離子水清洗去除雜質，干燥后得到纖維素基碳納米片材料。

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：