[發明專利]超級電容器用改進型自支撐氮摻雜多孔石墨烯及制備方法

在審

• 申請號: 202011267818.1
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112479187A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 宋宏芳;趙東輝;周鵬偉
• 申請（專利權）人: 深圳市翔豐華科技股份有限公司;福建翔豐華新能源材料有限公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01G11/24;H01G11/32
• 代理公司: 廈門市新華專利商標代理有限公司 35203
• 代理人: 吳成開;徐勛夫

本發明公開一種超級電容器用改進型自支撐氮摻雜多孔石墨烯的制備方法，通過利用聚多巴胺的強吸附性和粘結性和鎳粉、鋁粉和銅粉粘結成一個塊體，在高溫條件下，包裹在鎳粉、鋁粉和銅粉周圍的聚多巴胺前體發生熱分解，在鎳、鋁和銅的催化作用下生成氮摻雜石墨烯材料，同時塊體中的納米鎳粉、鋁粉和銅粉去除后形成的納米空洞保證了石墨烯的多孔性，得到高質量的氮摻雜石墨烯，所得氮摻雜石墨烯材料的厚度約為8?12層，氮含量在15%以上，比表面積在1800 m²/g以上。該技術方案中需求設備少，制備方法簡便易行，反應過程易于控制、危險性小、成本低、可批量生產，極易大規模推廣使用。

技術領域

本發明涉及石墨烯領域技術，尤其是指一種超級電容器用改進型自支撐氮摻雜多孔石墨烯及制備方法。

背景技術

超級電容器又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。超級電容器用途廣泛。用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力；用作車輛啟動電源，啟動效率和可靠性都比傳統的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統的蓄電池；用作車輛的牽引能源可以生產電動汽車、替代傳統的內燃機、改造現有的無軌電車；用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰車的順利啟動（尤其是在寒冷的冬季）、作為激光武器的脈沖能源。按照充放電機理，超級電容器可以分為雙電層電容器和贗電容器。雙電層電容器主要使用碳基材料，贗電容器的電極材料主要有過渡金屬氧化物和導電聚合物。伴隨電子產品對電源設備的更高要求，不添加任何粘結劑和導電劑的自支撐超級電容器材料越來越受到廣泛的關注和研究。二維石墨烯紙因其良好的導電性和較高的比表面積，是一種較為理想的整體性、自支撐超級電容器電極材料，但是在實際應用中，石墨烯片層的堆積使得形成雙電層的有效面積減小。因此，研究對其改性是否可克服該缺陷。Ruoff等人在Graphene-BasedUltracapacitors 一文中首次將化學修飾石墨烯材料應用到超級電容器電極材料中，但是，發現水系和有機系電解液的比電容值都較低，其分析認為造成質量比電容不理想的主要原因是：還原制備的化學修飾石墨烯電極材料再次團聚而造成其有效比表面積大大降低，無法吸附大量的電解液離子。另外，原始的碳材料的電學性能相對較弱，截至目前，已發現的碳基能源材料均是被摻雜的納米碳材料，即異原子摻雜碳材料。這是因為，摻雜的異原子，尤其是氮原子，不僅可以提供孤對電子，還能夠改變碳原子的自旋密度和電荷密度，使其具有很高的自旋密度。同時，電子可以從相鄰的碳原子貢獻至氮原子中，同時電子還可通過氮原子反饋到碳原子的pz軌道中，從而提高其電學性能?，F有石墨烯氮摻雜方法中大多采用氣相體系中通過高溫或電弧放電的方法將氮原子摻雜到石墨烯的晶格中，但這些方法需采用高真空系統等專業設備，還需使用高危險性的氫氣、腐蝕性的氨氣等，其制備條件苛刻、成本高、危險性大，而且石墨烯的多孔性得不到保證，故不適宜大規模生產。因此，發展快速、綠色、簡便的N摻雜多孔石墨烯的合成方法仍然是目前的一個研究熱點。

發明內容

有鑒于此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種超級電容器用改進型自支撐氮摻雜多孔石墨烯及制備方法，其可制備出更高比表面積、更高質量的氮摻雜石墨烯，該方法使用的原料無毒、便宜易得，工藝簡單，成本低廉，因此，該方法是具有實際應用前景的規模化生產高比表面積高質量的氮摻雜多孔石墨烯的綠色工藝。

為實現上述目的，本發明采用如下之技術方案：

一種超級電容器用改進型自支撐氮摻雜多孔石墨烯的制備方法，包括有以下步驟：

（1）將12-15g 納米鎳粉粉末、5-8g納米鋁粉粉末和10-12g納米銅粉粉末依次分散在1500-2000mL 濃度為 6-8mg/mL的多巴胺/Tris-HCl的緩沖溶液中，超聲振蕩2h，然后室溫機械攪拌反應 3-4h，60℃下加熱2-3h，待成糊狀用輥徑為45cm的輥壓機壓成片狀，得到片狀氮摻雜多孔石墨烯前驅體；