一種夾心結構多孔炭/石墨烯復合材料及超級電容應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及無機非金屬材料技術領域，特別是涉及一種新型超級電容器用多孔碳/石墨烯復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]活性炭具有高比表面積、高穩定性和孔徑可控等特點，因而廣泛用做超級電容器電極材料。但是活性炭基超級電容器具有能量密度低的缺點，其推廣和使用受到很大的限制。石墨稀具有高比表面積(理論值為2650m2/g)、高導電性等特點，在超級電容儲能方面具有很強的應用前景，其理論比容量高達550F/g( Small，2014，10 ( 17):3480-3498;Chemistry，2014，20(43): 13838-13852)。但是應該看到，石墨稀的制備工藝繁瑣、成本高昂，同時大規模制備過程中容易造成石墨烯片的再重疊，從而導致性能的損失，因此文獻報道的單一石墨烯基超級電容器不僅價格昂貴，而且其比電容遠遠低于理論值(ChemSusChem，2010，3(2):136-168)0

【發明內容】

[0003]為了克服上述現有技術的不足，本發明以聚丙烯腈納米纖維布為碳源，制備出一種新型類三明治夾心結構氮摻雜多孔碳/石墨烯復合材料，并以此為電極組裝超級電容器。由于所制材料具有特殊的夾心多孔結構、高比表面積，同時氮原子具有的贗電容特性，所組裝的超級電容器具有高比電容、高倍率和高循環性能，同時能量密度大大提高。
[0004]本發明所采用的技術方案是:
[0005]采用的聚丙烯腈納米纖維內可摻雜O?2wt.%石墨烯和碳納米管中的一種或兩種；
[0006]采用的石墨稀是氧化石墨稀、還原石墨稀中的一種或兩種；
[0007]將聚丙烯腈納米纖維布用石墨烯溶液在表面涂布、干燥后在200?300度條件下進行預氧化I?3小時，然后在600?1000度進行碳化和活化，經水洗、干燥后得到多孔炭/石墨稀復合材料。
【附圖說明】
[0008]圖1為實施例1產物的掃描電鏡圖。
[0009]圖2為實施例2產物的掃描電鏡圖
[0010]圖3為水系超級電容器在電流密度為lA/g時的充放電曲線。
[0011]圖4為水系超級電容器的比電容與電流密度之間的關系曲線。
[0012]圖5為有機系超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線。
[0013]圖6為水系及有機系超級電容器的功率密度與能量密度之間的關系曲線。
【具體實施方式】
[0014]實施例1:多孔炭/石墨烯復合材料的制備
[0015]利用靜電紡絲法制備聚丙烯腈納米纖維布。將聚丙烯腈納米纖維布在0.1%氧化石墨烯溶液中浸漬涂布，并干燥。將得到的復合纖維在空氣中300度保溫I小時，再在氮氣氛中750度碳化I小時。將產物與KOH以I: 4的質量比混合，并在氮氣氛下700度活化2小時。用蒸餾水洗滌、鼓風干燥后得到產物，如圖1所示。
[0016]實施例2:多孔炭/石墨烯復合材料的制備
[0017]利用靜電紡絲法制備含0.5%氧化石墨烯的聚丙烯腈復合納米纖維布。將聚丙烯腈納米纖維布在0.1%氧化石墨烯溶液中浸漬涂布，并干燥。將得到的復合纖維在空氣中300度保溫I小時，再在氮氣氛中750度碳化I小時。將產物與KOH以1:4的質量比混合，并在氮氣氛下700活化2小時。用蒸餾水洗滌、鼓風干燥后得到產物，如圖2所示
[0018]實施例3:材料的電化學性能測試
[0019]采用兩電極超級電容系統在室溫下測試材料的電化學性質，其中電解液為6M氫氧化鉀水溶液及IM四氟硼酸四乙基胺(TEABF4)的乙腈(AN)溶液，采用上海CHI660E電化學工作站對超級電容器進行充放電測試，電壓范圍為0-1.0V(KOH)和0-2.5V(TEABF4/AN)。結果如下:
[0020](I)由圖3可見，用本技術方案制備的電極材料所組裝的水系超級電容器呈現典型的等腰三角形充放電曲線，沒有明顯的壓降說明內阻很小。由圖4可見，實施例1和實施例2所制備的復合材料0.lA/g時的比電容分別高達362.0F/g和381.6F/g，20A/g時仍保持為216.0F/g和257.0F/g，呈現出良好的倍率性能。
[0021](2)由圖5可見，用本技術方案制備的電極材料所組裝的有機系超級電容器呈現典型的等腰三角形充放電曲線，沒有明顯的壓降說明內阻很小。在電流密度為lA/g時比電容高達156.0F/g，5A/g時仍保持143.2F/g，呈現出良好的倍率性能。
[0022](3)由圖6可見，用本技術方案制備的電極材料所組裝的水系和有機系超級電容器均具有高能量密度和高功率密度。其中以實施例1和實施例2所制備復合材料為電極的水系超級電容器在0.lA/g時的能量密度分別高達12.6Wh/kg和13.2Wh/kg，遠高于文獻報道數值(Journal of Power Sources,2013,240:109-113；Journal of Power Sources，2012，209:1 5 2-1 57 )，甚至優于報道的碳納米纖維、碳納米管及石墨烯基超級電容器(ACSSustainable Chemistry & Engineering，2014，2，1525-1533；ElectrochemistryCommunicat1ns，2011，13:355-358)。以實施例2所制備復合材料為電極的有機系超級電容器具有更高的能量密度和功率密度。
【主權項】
1.一種多孔炭/石墨烯復合材料的制備方法，其具體步驟為:將聚丙烯腈納米纖維布用石墨烯水溶液進行涂布，干燥后在200?300度條件下進行預氧化I?3小時，然后在600?1000度進行碳化和活化，經水洗、干燥后得到多孔炭/石墨烯復合材料。2.根據權利要求1所述一種多孔炭/石墨烯復合材料的制備方法，其特征在于所述聚丙烯腈納米纖維內可摻雜O?2wt.%石墨烯和碳納米管中的一種或兩種。3.根據權利要求1、2所述一種多孔炭/石墨烯復合材料的制備方法，其特征在于所述石墨稀為氧化石墨稀和還原石墨稀中一種或兩種。4.一種多孔炭/石墨稀復合材料，所述復合材料通過權利I?3中任一項所述的方法制備。5.—種多孔炭/石墨烯復合材料，所述復合材料具有類三明治夾心多孔結構。6.權利要求1?5所述的多孔炭/石墨烯復合材料可用作超級電容器電極。
【專利摘要】本發明公開了一種類三明治夾心結構多孔炭/石墨烯復合材料及其制備方法和超級電容應用：將聚丙烯腈納米纖維布用石墨烯溶液進行表面涂布，在200-300度條件下進行預氧化1-2小時，然后在600-1000度進行碳化和活化，經水洗、干燥后得到多孔炭/石墨烯復合材料。用本發明技術方案制備的多孔炭/石墨烯復合材料為電極組裝的超級電容器性能優異，具有高比能量、高比功率、高倍率性能和長循環壽命等特點。
【IPC分類】H01G11/38, H01G11/36, H01G11/24, H01G11/86, H01G11/44
【公開號】CN105551829
【申請號】CN201510938992
【發明人】解勤興, 周姝雯, 解超, 張宇峰
【申請人】天津工業大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月16日