[發(fā)明專利]多孔石墨烯材料及其制備方法和超級電容器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910016301.6
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109626362A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張小詩;康守國;張鑫偉;史俊斌;李金來
• 申請（專利權(quán)）人: 新奧石墨烯技術(shù)有限公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01G11/24;H01G11/34;H01G11/36
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 趙天月

本發(fā)明公開了多孔石墨烯材料及其制備方法和超級電容器。其中，制備多孔石墨烯材料的方法包括：(1)將碳材料進(jìn)行研磨處理，得到研磨后碳材料；(2)將所述研磨后碳材料與催化劑、活化劑和水混合后進(jìn)行干燥，得到反應(yīng)物；(3)將所述反應(yīng)物進(jìn)行活化處理，得到活化產(chǎn)物；(4)將所述活化產(chǎn)物進(jìn)行后處理，得到多孔石墨烯前體；以及(5)將所述多孔石墨烯前體進(jìn)行煅燒處理，得到所述多孔石墨烯材料。該方法制備得到的多孔石墨烯材料比表面積大、灰分低，且具有平均粒徑小和粒徑分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及多孔石墨烯材料及其制備方法和超級電容器。

背景技術(shù)

雙電層電容器是超級電容器中的一種，它利用電極和電解液兩相電化學(xué)勢的不同而產(chǎn)生位壘，從而在電極表面形成電荷雙電層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電荷儲(chǔ)存。目前超級電容器的電極材料主要是比表面積較大的碳基材料，包括，活性炭、活性炭纖維和碳納米管等。但是，上述碳基材料由于生產(chǎn)過程復(fù)雜、成本高、比電容低等問題，在超級電容器上的應(yīng)用受限。

石墨烯具有比表面積大、拉伸強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低等特性，在電子元件、導(dǎo)電導(dǎo)熱納米復(fù)合材料、微電子、超級電容器等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。目前，石墨烯的制備方法主要包括：氧化還原法、液相剝離法、化學(xué)氣相沉積法。但上述石墨烯材料比表面積以及孔徑結(jié)構(gòu)難以滿足超級電容器性能要求，并且成本高，制備工藝耗時(shí)、繁瑣且難以規(guī)模化批量生產(chǎn)。

因而，現(xiàn)有的石墨烯材料仍有待改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是基于發(fā)明人對如下事實(shí)和問題的發(fā)現(xiàn)而提出的：

多孔石墨烯材料因其具有高導(dǎo)電性的石墨烯片層結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積和孔容、均一的孔徑分布，在電化學(xué)儲(chǔ)能特別是雙電層電容器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。以煤炭或生物質(zhì)等材料為碳源，利用其內(nèi)部初步形成的類石墨烯片層結(jié)構(gòu)及適量的催化金屬，通過化學(xué)活化法可制得多孔石墨烯材料。然而，用于制造雙電層電容器電極的多孔石墨烯材料不僅需要具有相對大的比表面積、低的灰分，還需要小的平均粒徑和均勻的粒徑分布。鑒于這些要求，化學(xué)活化法制備多孔石墨烯材料的制備過程仍有不足，并且需要進(jìn)一步改進(jìn)。

鑒于此，本發(fā)明提出制備多孔石墨烯材料的方法、多孔石墨烯材料和超級電容器。該方法制備得到的多孔石墨烯材料比表面積大、灰分低，且具有平均粒徑小和粒徑分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種制備多孔石墨烯材料的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：(1)將碳材料進(jìn)行研磨處理，得到研磨后碳材料；(2)將所述研磨后碳材料與催化劑、活化劑和水混合后進(jìn)行干燥，得到反應(yīng)物；(3)將所述反應(yīng)物進(jìn)行活化處理，得到活化產(chǎn)物；(4)將所述活化產(chǎn)物進(jìn)行后處理，得到多孔石墨烯前體；以及(5)將所述多孔石墨烯前體進(jìn)行煅燒處理，得到所述多孔石墨烯材料。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備多孔石墨烯材料的方法，首先對碳材料進(jìn)行研磨處理，并利用研磨后的碳材料與催化劑、活化劑和水混合并干燥后作為反應(yīng)物，進(jìn)而通過對上述反應(yīng)物進(jìn)行活化處理和對活化產(chǎn)物的后處理，得到多孔石墨烯前體。進(jìn)一步地，通過對多孔石墨烯前體進(jìn)行煅燒處理，可有效減少多孔石墨烯前體中因?qū)μ疾牧线M(jìn)行破碎及活化而產(chǎn)生的碎屑，從而降低產(chǎn)品的平均粒徑、提高粒徑分布的均勻性，并燒蝕其中的部分的無定形碳，提高石墨烯微晶含量，提升產(chǎn)品性能。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的制備多孔石墨烯材料的方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述碳材料為選自煤、瀝青、石油焦和生物質(zhì)中的至少之一。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述研磨后碳材料中至少90％粉末的粒徑小于30μm。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述研磨后碳材料與所述催化劑的質(zhì)量比為1:(0.01～5)。