[發明專利]一種氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極的制備方法

有效

• 申請號: 201910261644.9
• 申請日: 2019-04-02
• 公開（公告）號: CN110010374B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 胡南滔;戚春雪;王猛
• 申請（專利權）人: 砥創（蘇州）新材料科技有限公司
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/36;C01B32/184
• 代理公司: 北京科家知識產權代理事務所(普通合伙) 11427
• 代理人: 陳娟

本發明公開了一種氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極的制備方法，包括以下步驟：將甲基藍、吡咯依次溶于硫酸溶液中，超聲處理，混合均勻形成溶液，滴加入溶有過硫酸銨的水溶液，快速攪拌，室溫靜置后取出，將產物用乙醇洗、水洗，得到甲基藍摻雜的聚吡咯納米片水凝膠，進行冷凍干燥，于管式爐中，在氮氣保護下，進行高溫碳化，得到氮硫共摻雜石墨烯泡沫；將得到的氮硫共摻雜石墨烯泡沫剪切成條，壓在碳紙上，制成氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極，本發明涉及材料科學技術領域。該氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極及其制備方法，其合成方法步驟簡單、易操作、低成本、可規模化制備，獲得高功率、高能量的電容型電極新材料。

技術領域

本發明涉及材料科學技術領域，具體為一種氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極的制備方法。

背景技術

由于能量密度較低且實用成本較高，超級電容器很難作為普遍、獨立的儲能電源。目前，許多研究工作者都致力于改善超級電容器體系的能量密度，一種有效的途徑是采用不對稱混合型超級電容器體系，即一個電極采用電容型電極，另一個電極采用贗電容型電極或電池型電極，通過提高工作電壓來提高能量密度。因此，開發低成本、高能量密度、長循環壽命的電極材料，是獲得高性能混合型超級電容器的關鍵手段。

碳材料，如活性炭、碳纖維、碳納米管、碳球以及模板化的多孔碳，具有較高的比表面積，作為電容型電極用于超級電容器，提供的雙電層電容可達250F/g。為了提高碳材料的能量密度，通過引入N、S等雜原子可以有效地改善碳材料的電化學儲能性能。氮摻雜引入電子給體的特性，在碳表面提高了電荷遷移率，從而改善了碳材料的電導率；同時，形成電化學活性中心，在電解質離子和碳電極表面之間產生類似的贗電容效應，從而提高碳材料的比容量。

此外，具有二維結構的氮硫共摻雜石墨烯存在納米片堆砌的問題，嚴重影響了其比表面積和電化學性能。將二維氮硫共摻雜石墨烯構筑成自支撐三維網絡結構，是研究石墨烯基電化學儲能器件的一種新思路。然而，采用碳化法實現二維氮硫共摻雜石墨烯構筑三維網絡結構的研究相對較少，而石墨烯尺寸、厚度的可控性以及規模化制備，在石墨烯的制備技術上是一個巨大的挑戰。

發明內容

(一)解決的技術問題

針對現有技術的不足，本發明提供了一種氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極的制備方法，本發明采用溶膠-凝膠法合成由甲基藍摻雜的聚吡咯納米片水凝膠，經碳化過程，獲得氮硫共摻雜石墨烯泡沫。通過調節甲基藍的用量、聚合反應的時間和溫度可以實現聚吡咯納米片的尺寸、厚度及其表面上不規則孔的調控，通過控制碳化過程的溫度、時間、升溫速率可以實現氮硫共摻雜石墨烯泡沫形貌、比表面積以及電化學性能的調控。這項工作可提供制備氮硫共摻雜石墨烯泡沫的新方法，獲得高功率、高能量的電容型電極新材料。

(二)技術方案

為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：一種氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極的制備方法，由甲基藍摻雜的聚吡咯納米片氣凝膠經過高溫碳化過程得到，包括以下步驟：

步驟一、將甲基藍、吡咯依次溶于硫酸溶液中，超聲處理，混合均勻形成溶液，滴加入溶有過硫酸銨的水溶液，快速攪拌，室溫靜置后取出，將產物用乙醇洗、水洗，得到甲基藍摻雜的聚吡咯納米片水凝膠備用；

步驟二、將步驟一得到的甲基藍摻雜的聚吡咯納米片水凝膠進行冷凍干燥，于管式爐中，在氮氣保護下，進行高溫碳化，得到氮硫共摻雜石墨烯泡沫；

步驟三、將步驟二得到的氮硫共摻雜石墨烯泡沫剪切成條，在0.5～2MPa 的壓力下，壓在碳紙上，制成氮硫共摻雜石墨烯泡沫電極。

優選的，所述硫酸溶液的濃度為0.5～2mol/L。

優選的，所述甲基藍的濃度為0.3～1.2mg/mL，吡咯的濃度為10～50 mg/mL。

優選的，所述吡咯與過硫酸銨的摩爾比為1：1。