[發明專利]一種具有高倍率性能的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠及其制備和應用

在審

• 申請號: 201810682005.5
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108975301A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 樊瑋;王棟;劉天西
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C08J9/28;C08L79/08;H01G11/44
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達;魏峯

本發明涉及一種具有高倍率性能的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠及其制備和應用。該氣凝膠是利用氧化石墨烯對聚酰胺酸進行交聯，加入氫氧化鉀，得到水凝膠，通過老化、凍干過程得到氣凝膠，再將氣凝膠進行碳化活化，再與尿素混合，二次碳化得到。制備方法包括：氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝膠的制備，氫氧化鉀/氧化石墨烯/聚酰胺酸氣凝膠的制備，活化的碳氣凝膠的制備，石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠的制備。本發明合成過程簡單、操作簡便，是一種綠色的化學制備方法。得到的氮摻雜碳氣凝膠具有較好的倍率性能和較高的電容性能。

技術領域

本發明屬于氮摻雜碳材料及其制備和應用領域，特別涉及一種具有高倍率性能的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

氣凝膠(aerogel)是由膠體粒子或聚合物分子相互聚集構成的網絡骨架和孔隙中填充氣態分散介質所組成的一種新型輕質固體材料。氣凝膠是世界上已知的最輕材料。氣凝膠由于其獨特的三維多孔網絡結構和優異的性能，在能源、環保、建筑、微電子以及航空航天等領域具有廣闊的應用前景。

超級電容器是一種介于傳統物理電容器和電池之間的新型儲能器件，具有充放電速度快、環境友好、循環壽命長等優點。電極材料和電解液是超級電容器的主要組成部分，電極材料的結構與性能決定了超級電容器的輸出性能的高低。超級電容器根據儲能機理分為雙電層超級電容器、法拉第贗電容電容器和混合電容器，雙電層電容器是在電極表面和電解液之間的界面通過對電荷的物理吸附形成的雙電層來儲能的電容器。

石墨烯因其獨特的二維空間結構能夠提高超級電容器的性能。氫氧化鉀可通過高溫熱解反應以及熱解反應產物與碳骨架反應產生大量諸如H₂、CO、CO₂等氣體，氣體逸出后達到開孔、擴孔以及造孔的目的，從而提升材料的比表面積，改善材料的超容性能。而氮摻雜能夠提高碳材料的導電性能，從而使其擁有更優異的倍率性能。目前的KOH化學活化法雖能改善聚合物基碳氣凝膠的孔結構以及大幅提高其比表面積，但是該方法不足和局限性體現在以下幾點：(1)聚合物基碳氣凝膠需要先高溫碳化制備出來，然后再粉碎處理與KOH進行研磨混合，破壞了碳氣凝膠的宏觀結構；(2)KOH的使用量很多，一般為聚合物基碳氣凝膠質量的3-6倍。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有高倍率性能的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠及其制備方法和應用，該方法簡單，成本低，得到的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠具有較好的倍率性能和較高的電容性能。

本發明所提供的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠，其制備原料組成包括：氧化石墨烯、一種水溶性聚酰亞胺前驅體-聚酰胺酸、尿素、氫氧化鉀。

本發明所提供的石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠，其制備過程包括：通過縮聚的方法制備聚酰亞胺水溶性前驅體-聚酰胺酸，用氧化石墨烯對聚酰胺酸進行交聯，同時向其中加入適量的氫氧化鉀，得到水凝膠，通過老化、凍干過程得到氣凝膠，再將氣凝膠進行碳化活化，將得到的樣品再與尿素簡單混合，二次碳化得到石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠。

本發明的一種石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠的制備方法，步驟包括：

(1)將氧化石墨烯分散在去離子水中，超聲，得到氧化石墨烯分散液，加入水溶性聚酰胺酸，攪拌，得到氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝膠；其中氧化石墨烯分散液濃度為2-5mg/mL，氧化石墨烯與水溶性聚酰胺酸的質量比為1:20-50；

(2)將氫氧化鉀溶液加入到步驟(1)中氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝膠中，攪拌，得到氫氧化鉀/氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝膠，冷凍，冷凍干燥，得到氫氧化鉀/氧化石墨烯/聚酰胺酸氣凝膠，其中氫氧化鉀與步驟(1)中水溶性聚酰胺酸的質量比為1:2-5；

(3)將步驟(2)中氫氧化鉀/氧化石墨烯/聚酰胺酸氣凝膠活化，得到活化的碳氣凝膠，與尿素以質量比為1:1-1:10混合，碳化，得到石墨烯/聚酰亞胺基氮摻雜碳氣凝膠。