[發(fā)明專利]一種通過聚合物填充還原氧化石墨烯基水凝膠的衍生碳及其制備和在超級電容器中的應用

有效

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• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112670095B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設計）人: 鐘文斌;陳澤宇;趙斯琦;喻楚英
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/26;H01G11/86
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發(fā)明公開了一種通過聚合物填充還原氧化石墨烯基水凝膠的衍生碳及其制備和在超級電容器中的應用。將氧化石墨烯與芳基二胺水溶液混合進行一次水熱反應，一次水熱反應完成后，在一次水熱反應混合物中加入氯化鐵溶液進行二次水熱反應，二次水熱反應混合物經過冷凍干燥和煅燒處理，即得高密度，且同時具有高的質量與體積比電容的三維多孔氮摻雜碳材料，可以進一步獲得質量比電容為673F g^?1以及體積比電容為760F cm^?3的高性能超級電容器。

技術領域

本發(fā)明涉及一種氮摻雜碳材料，具體涉及一種通過聚合物填充還原氧化石墨烯基水凝膠碳化得到的三維多孔氮摻雜碳，還涉及其制備方法以及作為超級電容器電極材料的應用，屬于超級電容器電極材料制備技術領域。

背景技術

碳材料由于其高的比表面積、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、豐富的來源以及便宜的價格，廣泛的應用于超級電容器的雙電層電極材料；提高電極材料的雙電層電容主要是通過提高材料的比表面積，從而增多電極材料與電解質離子之間的接觸位點；而提升碳材料的比表面積是有限度的，現(xiàn)有的雙電層活性炭材料幾乎已經將其比表面積提高到很大(＞2400m² g^-1)，但其最高的比電容仍很難超過300F g^-1，且過高的比表面積會降低材料的導電率從而影響其比功率以及循環(huán)穩(wěn)定性；而將雜原子引入碳材料中可以引入贗電容，從而在保持其比功率的情況下進一步提高其比電容；近年來電極材料飛速發(fā)展，雜原子摻雜碳材料的比電容已經能夠達到600F g^-1以上，但由于通常碳材料比表面積很大，導致其密度較低，使得其體積比電容很低，在實際應用中體現(xiàn)為器件質量不大但體積巨大；這樣的材料顯然在實際應用中與鋰離子電池等新型能源存儲裝置不具備競爭力；因此，開發(fā)一種具有高質量與高體積比電容，且倍率性能以及循環(huán)性能優(yōu)異的碳材料仍是一種挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的第一個目的是在于提供一種具有高密度(1.13g cm^-3)，且同時具有高的質量與體積比電容的三維多孔氮摻雜碳材料。

本發(fā)明的第二個目的是在于提供一種操作簡單、成本低的制備三維多孔氮摻雜碳材料的方法。

本發(fā)明的第三個目的是在于提供一種三維多孔氮摻雜碳材料作為超級電容器電極材料的應用，該電極材料具有超高的質量與體積比電容，可以獲得高性能超級電容器。

為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供了一種三維多孔氮摻雜碳材料的制備方法，該方法是將氧化石墨烯與芳基二胺水溶液混合進行一次水熱反應，一次水熱反應完成后，在一次水熱反應液中加入氯化鐵溶液進行二次水熱反應，二次水熱反應液經過冷凍干燥和煅燒處理，即得。

本發(fā)明的三維多孔氮摻雜碳材料的制備方法是以氧化石墨烯和芳基二胺為初始原料，氧化石墨烯表面富含羥基、羧基等具有反應活性的極性基團，且在水溶液中能夠分散均勻，在第一次水熱反應過程中主要是利用芳基二胺與氧化石墨烯之間進行交聯(lián)反應，將分散在溶液體系中的氧化石墨烯通過芳基二胺的交聯(lián)作用構建三維結構的石墨烯水凝膠，同時芳基二胺作為氮源通過化學鍵合摻雜在氧化石墨烯水凝膠中，而第二次水熱反應，主要是利用氯化鐵溶液體系中殘留的游離芳基二胺聚通過原位聚合生成聚芳基二胺填充在三維結構的氧化石墨烯水凝膠中，最后通過高溫煅燒過程，可以將聚芳基二胺轉化成氮摻雜碳同時實現(xiàn)氧化石墨烯的熱還原，從而獲得以三維多孔石墨烯為骨架，內部填充氮摻雜碳的三維多孔氮摻雜碳材料，該三維多孔氮摻雜碳材料具有高密度、高的質量與體積比電容。

作為一個優(yōu)選的方案，所述氧化石墨烯在芳基二胺水溶液中的添加濃度為1～4mg/mL；較優(yōu)選為1～2mg/mL。

作為一個優(yōu)選的方案，所述氧化石墨烯與芳基二胺水溶液中芳基二胺的質量比為1:1～1:20；較優(yōu)選為1:5～15。當芳基二胺比例過低時，聚芳基二胺在還原氧化石墨烯水凝膠中填充過少，而芳基二胺比例過高時，聚芳基二胺過多會極大地影響三維多孔氮摻雜碳材料的孔徑分布，從而導致電化學性能降低。