[發明專利]一種咖啡渣基超級電容器電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010013526.9
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111223684B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 任鵬剛;何文維;戴忠;侯鑫
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/34;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 張皎

本發明公開了一種咖啡渣基超級電容器電極材料的制備方法，具體為：將石墨烯納米片和碳納米管負載于咖啡渣，放入剛玉坩堝，通入氮氣，在管式爐進行碳化，然后使用KOH溶液進行活化，再次進行碳化，洗滌，干燥，得到咖啡渣負載石墨烯納米片和碳納米管基超級電容器電極材料。本發明制備方法制備的活性碳基超級電容器電極材料，具有優異的電化學性能，可廣泛應用于高功率與能源存儲領域。

技術領域

本發明屬于電容器電極材料制備技術領域，具體涉及一種咖啡渣基超級電容器電極材料的制備方法。

背景技術

隨著化石能源的過度消耗和嚴重的環境污染，可再生的清潔能源滿足了日益增長的能源供應需求，例如太陽能，風能，水能和潮汐能。然而，這些能源往往受到客觀條件的限制，不能達到預期的效果。因此，我們需要具備高能量密度和功率密度的儲能設備，以實現可再生能源的持續性和儲能安全。

超級電容器被認為是最有前景的能源儲存和釋放設備之一，其具有高的能量密度，快速充放電和優異的可逆性。超級電容器根據儲能機制分為雙電層電容器和法拉第贗電容器。雙電層電容器主要通過電解質離子在電極材料表面進行離子的吸脫附來實現能量存儲。電極材料是決定超級電容器電化學性能的關鍵因素。

碳材料的比表面積大，化學穩定性好，成本適中，是合適的超級電容器電極材料。其中，石墨烯納米片是含有sp²鍵碳原子的二維碳質材料。這種二維碳結構具有較大的比表面積，有利于增加電解質和電極材料之間的接觸面積。但由于石墨烯納米片層間的范德華力較強，導致其容易團聚和堆疊，使得最終制備的電極材料電化學性能較差。

碳納米管屬于一維的管狀結構，這種線性通道有利于電子和離子的傳輸。此外，這種中空結構有利于比表面積的增加，并且可以作為存儲電荷的“緩沖池”。將石墨烯納米片和碳納米管結合形成二維-一維結構，石墨烯納米片提供高的比表面積，碳納米管可以提高電導率，并且防止石墨烯納米片堆積。

如今，利用生物質作為超級電容器電極材料已經是電化學領域的研究熱點，其具備環境友好性、可再生性、易獲得性和低成本等優點。其中，咖啡渣是一種典型的三維結構，這種三維結構可以提供較短的通道，加速離子的遷移。咖啡渣含有大量的鈣，鐵和蛋白質，可作為天然硬模板，有利于分級孔結構的產生和氮、硫等元素的異質摻雜。異質參雜增強了電極材料表面的潤濕性，使電極材料和電解質之間充分浸潤。將碳納米管、石墨烯納米片、咖啡渣結合形成一維二維三維結構，二維平面狀的石墨烯納米片具有相當高的比表面積，可以提供活性位點存儲電荷，從而提高能量密度。一維中空結構的碳納米管可以作為連接單個石墨烯納米片的橋梁，為離子擴散和電子傳遞提供便利通道。三維的咖啡渣避免了石墨烯納米片重疊造成的比表面積損失，保證電極材料更多的暴露在電解液中，擴大了活性位點的數量，有利于電荷積聚。

發明內容

本發明的目的在于提供一種咖啡渣基超級電容器電極材料的制備方法，解決了現有技術中電容器電極材料電化學性能差的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種咖啡渣基超級電容器電極材料的制備方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、將咖啡渣粉碎、過篩，之后依次采用0.1mol/L的鹽酸、無水乙醇和去離子水分別對咖啡渣粉末洗滌3-4次，干燥，得到咖啡渣粉末；

步驟2、將GNS與CNT加入到去離子水中，超聲攪拌，得到碳基混合液，之后將經步驟1后得到的咖啡渣粉末加入到碳基混合液中，超聲攪拌，干燥，得到碳基前驅體；

步驟3、將經步驟2后得到的碳基前驅體置于管式爐中，在緩慢的氮氣流中進行一步法碳化，得到碳材料；

步驟4、將經步驟3后得到的碳材料與KOH溶液混合均勻，靜置3～10h，干燥，之后再將干燥后的碳材料放于管式爐中進行二次碳化，得到碳化和活化后的碳材料；

步驟5、將經步驟4后得到的碳化和活化后的碳材料用去離子水洗滌至中性，干燥，得到咖啡渣負載石墨烯納米片和碳納米管基超級電容器電極材料。