[發明專利]一種超級電容器用超薄類石墨烯碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010546962.2
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111681887B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 高云芳;吳寶亮;徐新
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/44;H01G11/32;H01G11/26;H01M4/583;H01M10/052
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 裴金華

本發明屬于超級電容器技術領域，具體公開了一種超級電容器用類石墨烯超薄碳材料的制備方法，以聚苯胺和三聚氰胺的復合物作為前驅體，采用水熱法和簡單的煅燒工藝制備得到超薄的類石墨烯片碳材料。聚苯胺既作為氮源和碳源，又起著自模板的作用，三聚氰銨作為氮源，并通過水熱法除去復合氮源的雜質，使高氮含量摻雜的超薄片層形貌能夠穩定形成，制備所得的氮摻雜碳材料呈2D薄片結構，有很好的超級電容器電化學性能。此外，本發明操作步驟簡單、生產成本較低、生產過程安全、原料來源廣泛，適于工業大規模生產。

技術領域

本發明屬于超級電容器技術領域，具體涉及一種超級電容器用類石墨烯超薄碳材料的制備方法。

背景技術

近年來，超級電容器因為高功率密度、快速充放電能力和長循環壽命等優勢引起了研究者的廣泛關注，超級電容器被認為是當前除傳統的鉛蓄電池、鋰離子電池等儲能電池外最具有發展前景的儲能裝置，而對于超級電容器的性能影響起決定性作用的主要是電極材料，因此對于電極材料的研究成為了超級電容器研究的重點和難點。

當前，超級電容器用電極材料主要分為碳材料、金屬氧化物和導電聚合物三大類。碳材料因其原料來源豐富、制備過程簡單、無毒無害和比表面積高等得天獨厚的優勢受到了人們的廣泛追捧，同時碳材料與其他材料有很好的融合性，是一種很有應用前景的電極材料。常見的碳材料有活性炭、石墨烯、碳納米管等。石墨烯是目前所發現的最薄的二維材料，具有0.35 nm的理論厚度，其具有超高比表面積（2630 m²/g）、優異的導電性、化學和熱穩定性、柔韌性和豐富的表面官能團，因此在生物、能源、醫學等領域受到廣泛應用。

石墨烯的發現，使得碳材料家族不同維度材料體系得以完整，由此也引發了人們對于石墨烯類碳材料的研究熱潮，然而石墨烯類碳材料也有其自身明顯的不足，例如容易發生堆積，造成比表面積減小，導致超級電容器的性能下降。為了解決該問題，研究人員進行了大量的研究和探索，也取得了一定成效，例如：Chen等人通過四足動物成功分離得到氮摻雜氧化類石墨烯碳納米片，在酸性體系下在1A/g的電流密度下比電容高達308 F/g（AMacroscopic Three-dimensional Tetrapod-Separated Graphene-like Oxygenated N-doped Carbon Nanosheets Architecture for Use in Supercapacitors, J. Mater.Chem. A, 2016, 4, 9900）；Yao等人成功制備得到了氮摻雜的超薄類石墨烯碳片用于超級電容器，在0.5 A/g的電流密度下具有222 F/g的高比電容（Surface-coating synthesisof nitrogen-doped inverse opal carbon materials with ultrathin micro/mesoporous graphene-like walls for oxygen reduction and supercapacitors, J.Mater. Chem. A, 2017, 5,25237）。但是這些研究者的工作還存在諸多不足之處，例如制備流程復雜繁瑣、前驅體不易獲得、需要使用模板處理、雜原子氮摻雜量不高等，將其應用于超級電容器表現出的比電容和循環性能還都有待進一步提升。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種超級電容器用類石墨烯超薄碳材料的制備方法，摻雜雙氮源，采用自模板法，能夠穩定形成高氮含量摻雜的超薄片層形貌；且操作簡單，成本低廉；作為超級電容器電極材料的應用，表現出很好的電容性能和循環壽命。

為達到上述目的，本發明采用的具體技術方案如下：

一種超級電容器用超薄類石墨烯碳材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：將苯胺、含氮化合物和酸性溶液加入到去離子水中，其中苯胺與去離子水的體積比為1：（30-60），攪拌2～6 h，使得三種物質充分混合均勻，所述原料中苯胺和含氮化合物的質量比為1：（2～6）；