CN103723723B - 一种石墨烯改性活性炭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯改性活性炭的制备方法，属于电极材料制备技术领域。该方法是以传统木质或者秸秆活性炭为原料，匹配特定参数石墨烯，在去离子水溶液中高温活化，再经过过滤、烘干后得到石墨烯改性活性炭。本发明制备的活性炭比表面积1750m2~1950m2，振实密度0.28~0.31g/ml，用它制作的超级电容器，质量比电容达290F/g以上，体积比电容达185F/cm2。

Description

一种石墨烯改性活性炭的制备方法
技术领域
本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯改性活性炭的制备方法，本发明涉及到一种石墨烯改性活性炭的制备方法，它是以传统木质或者秸秆活性炭为原料，主要经过水洗、添加石墨烯水分散液、超声、高温搅拌、过滤和烘干处理，最后得到石墨烯改性活性炭。
背景技术
超级电容器是一种新型电化学储能装置。由于它是根据电化学原理设计、制造出来的，因此又被称为电化学电容器，泛指具有高功率和高能量密度的电容器。超级电容器具有充放电快、使用寿命长、功率密度高、维护简单方便、经济环保等优点，有着越来越重要、越来越广泛的用途。
碳材料，特别是sp2杂化的碳材料，由于特殊的层状结构、超大的比表面积而成为重要储能装置的电极材料。碳材料如无定形碳、活性炭、石墨等已经广泛用于锂电池中。
石墨烯因其拥有较高的比表面积和高的电导率，因此在作为电容器材料时具有比传统多孔碳材料更优异的性质，但是石墨烯体积比电容小，无法应用于大容量的超级电容器等电学器件。虽然用活性炭改性石墨烯可以提高石墨烯的体积比电容至119.7F/cm2，但其改性过程的活化温度较高，且石墨烯价格昂贵，同时由于目前没有大量制备石墨烯的技术，所以用石墨烯制备超级电容器用电极材料不能工业化生产。
活性炭是超级电容器使用最多的电极材料，具有比表面积高、电化学稳定性好、原料丰富等优点。但是活性炭导电性较差、孔径分布不合理，活性炭的微孔结构贡献了主要的比表面积，而离子在微孔中的迁移阻力较大，另外，传统活性炭制作的超级电容器散热性能不理想。因此，无论它的原料来源如何变化、制备工艺如何改进，传统的活性炭的比表面积已经达到了峰值，传统活性炭生产的电容器性能已经无法再获得很大的突破。
因此，如何克服现有技术的不足已成为电极材料制备技术领域亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种氧化石墨烯改性活性炭的制备方法，该方法制备的活性炭比表面积达1750m2~1950m2，振实密度达0.28~0.31g/ml，用它制作的超级电容器，质量比电容达290F/g以上，体积比电容达185F/cm2。
本发明采用的技术方案如下：
一种石墨烯改性活性炭的制备方法，将活性炭原料加入石墨烯水分散液中，超声条件下，在80℃~100℃反应1h~10h，反应结束后将产物烘干、过滤后得到石墨烯改性活性炭；
其中，活性炭原料和石墨烯水分散液的质量比为1:2~1:110，石墨烯水分散液的质量浓度为1‰~20%。
进一步优选的是所述的活性炭原料为木质活性炭和秸秆活性炭中的一种或两者的组合物。木质活性炭和秸秆活性炭为生活中常见的、普遍存在的，其价格便宜，成本低。
进一步优选的是所述的活性炭原料粒度为1000~10000目。
进一步优选的是活性炭原料在加入石墨烯水分散液之前至少洗涤2次。
进一步优选的是所述的石墨烯片径为200nm~600μm。
进一步优选的是加热恒温条件下搅拌时间为1h~10h。
进一步优选的是所述的洗涤次数为2~5次。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明通过引入石墨烯，形成了石墨烯和活性炭构成的网路结构，首先使活性炭的比表面积得到充分利用，利用率高达99%；其次大幅度提高了活性炭的导电性，从根本上改变了离子迁移阻力大的问题；再次，石墨烯优异的导热性能使器件的散热性能提高58%。本发明使用少量的石墨烯，避免高温活化即可使获得的活性炭性能大幅度改良，综合使用成本低，附加值高，易于工业化生产。改性的活性炭比电容数据，比国际目前最好的高45.3%。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的石墨烯改性活性炭的电镜图。
具体实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种石墨烯改性活性炭的制备方法是将1000目的木质活性炭经2次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理0.5h，在80℃条件下反应1h，再经过过滤和2h的烘干处理得到本实施例的石墨烯改性活性炭；其中，木质活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:2，石墨烯水分散液的质量浓度为为1‰，石墨烯片径为200nm。
实施例2
一种石墨烯改性活性炭的制备方法是将10000目的秸秆活性炭经3次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理10h，在100℃条件下反应10h，再经过过滤和24h的烘干处理得到本实施例的石墨烯改性活性炭；其中，秸秆活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:110，石墨烯水分散液的质量浓度为为20%，石墨烯片径为600μm。
实施例3
一种石墨烯改性活性炭的制备方法是将5000目、质量比1:1的木质活性炭和秸秆活性炭的混合物经5次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理3h，在90℃条件下反应4h，再经过过滤和12h的烘干处理得到本实施例的石墨烯改性活性炭；其中，木质活性炭和秸秆活性炭的混合物与石墨烯水分散液的质量比为1:40，石墨烯水分散液的质量浓度为为5%，石墨烯片径为100μm。
本实施例制得的石墨烯改性活性炭的电镜图如图1所示。图中可以看出石墨烯与活性炭复合的形态。
实施例4
一种石墨烯改性活性炭的制备方法是将5000目的木质活性炭经6次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理7h，在95℃条件下反应8h，再经过过滤和18h的烘干处理得到本实施例的石墨烯改性活性炭；其中，木质活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:80，石墨烯水分散液的质量浓度为为14%，石墨烯片径为100μm。
对比实施例
称取0.5g、粒度为5000目、质量比1:1的木质活性炭和秸秆活性炭的混合物，经5次水洗后加入20g去离子水，超声处理3h，在90℃条件下搅拌4h，再经过过滤和12h的烘干处理得到活性炭。
本发明实施例1~4和对比实施例的工艺参数及其产品性能检测数据如表1所示。
表1本发明实施例1~4和对比实施例的工艺参数及其产品性能检测数据
石墨烯 分散液 木质活性炭 秸秆活性炭 质量比电容 体积比电容
实施例1 0.5g 500.0g 250.0g 0g 185.1F/cm2 290.0F/g
实施例2 1.0g 5.0g 0g 0.05g 185.4F/cm2 289.7F/g
实施例3 1.0g 20.0g 0.25g 0.25g 186.0F/cm2 290.5F/g
实施例4 1.0g 7.2g 0.09g 0g 185.8F/cm2 290.3F/g
对比实施例 0g 20.0g 0.25g 0.25g 110.4F/cm2 188.0F/g
从上述实施例可以看出，石墨烯改性后的超级电容器用活性炭，与未改性的活性炭相比，体积比电容和质量比电容都有显著地提升。

Claims (3)

1.一种石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于将活性炭原料加入石墨烯水分散液中，超声条件下，在80℃~100℃反应1h~10h，反应结束后将产物烘干、过滤后得到石墨烯改性活性炭，该活性炭的比表面积达1750m2~1950m2，振实密度达0.28~0.31g/ml；
其中，活性炭原料和石墨烯水分散液的质量比为1:2~1:120，石墨烯水分散液的质量浓度为1‰~20%；所述的活性炭原料为木质活性炭和秸秆活性炭中的一种或两者的组合物；
所述的活性炭原料粒度为1000~10000目；
所述的石墨烯片径为200nm~600μm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于活性炭原料在加入石墨烯水分散液之前至少洗涤2次。
3.根据权利要求2所述的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于：洗涤次数为2~5次。
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