CN105819419A - 一种超级电容器用二维多孔炭纳米片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器用二维多孔炭纳米片的制备方法，属于炭材料制备技术领域。该方法以煤焦油为碳源，分别以氢氧化镁和氢氧化钾作为模板剂和活化剂，三者研磨混合均匀后的混合物转移至刚玉舟中，放置于水平管式炉内并在氩气条件下进行加热，在流动的氩气气氛下，加热制得二维多孔炭纳米片。所得二维多孔炭纳米片的比表面积介于2158～3235m2/g之间，总孔容介于0.95～1.81cm3/g之间。作为超级电容器电极材料，在6mol/L KOH电解液中，在电流密度为0.05A/g时，其比容达327F/g；电流密度增大到20A/g时，其比容保持为267F/g,显示了很高的容量和很好的速率性能。本发明以煤焦油为碳源，直接制备超级电容器用二维多孔炭纳米片，具有工艺简单、原料廉价易得等优点。

Description

一种超级电容器用二维多孔炭纳米片的制备方法
技术领域
本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种超级电容器二维多孔炭纳米片的制备方法。
背景技术
超级电容器，也叫双电层电容器，是一种具有充放电速度快、功率密度高、循环稳定性好的储能元件。近年来，随着可穿戴电子设备及电混合动力汽车工业的不断发展，超级电容器的应用越来越广泛。
超级电容器的性能受集流体、电极材料、电解液与隔膜等组件性能的影响。其中，对超级电容器性能起决定性作用的是电极材料。由于多孔炭具有比表面积高、电化学性能稳定、廉价易得、适合工业化生产等优点，受到了广大研究者的青睐。目前制备多孔炭材料的原料主要有化石类、生物质类和聚合物等。
煤焦油是煤焦化过程中得到的一种黑色或黑褐色粘稠状液体，密度大于水。煤焦油组成复杂，主要由苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽等芳烃、芳香族含氧化合物、含氮含硫的化合物等组成。煤焦油是生产塑料、合成纤维、染料、橡胶、医药、耐高温材料等的重要原料，也可以用来合成杀虫剂、糖精、染料、药品、炸药等多种工业品。
本发明以煤焦油为碳源，具有低灰、廉价易得和富含芳烃的结构单元、容易在模板限域的纳米空间内形成导电性好的二维多孔炭纳米片。以仅几十元每公斤的氢氧化镁为模板，可以降低生产成本。采用常规的管式炉加热，制备方法简单、可控。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种以煤焦油为碳源，分别以廉价的氢氧化镁和氢氧化钾为模板和活化剂，直接制备超级电容器用二维多孔炭纳米片的方法。该方法具体步骤如下：
(1)反应物的预处理：将氢氧化镁放入研钵，加入研磨成粉末的氢氧化钾，两者混合均匀，将所得的混合物逐渐放入盛有煤焦油的烧杯中，在加热的同时进行搅拌，搅拌均匀后静置12h，得到反应物；其中，氢氧化钾的质量占煤焦油、氢氧化镁和氢氧化钾三者混合物总质量的2/5～4/7，氢氧化钾与煤焦油的质量比介于2/1～4/1之间；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉舟中，然后将所述刚玉舟放置于水平管式炉的中间位置，通入氩气以排出炉中的空气，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至300℃，恒温30min，继续以相同的升温速率将管式炉加热至800～900℃，恒温1h，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨粉碎，经酸洗、蒸馏水洗涤至中性，置于鼓风干燥箱中于110℃恒温干燥12h，得到二维多孔炭纳米片。
作为一种优化，在步骤(1)中，所述煤焦油为5g，所述氢氧化镁为10g，所述氢氧化钾为20g；在步骤(2)中，将管式炉加热至终温800℃。
本发明是以富含芳烃的煤焦油为碳源，分别以廉价的氢氧化镁和氢氧化钾作为模板剂和活化剂，直接制得超级电容器用二维多孔炭纳米片材料。所制备的二维多孔炭纳米片的比表面积介于2158～3235m2/g之间，总孔容介于0.95～1.81cm3/g之间。本发明省去了现有技术制备纳米金属氧化物模板等繁琐步骤，具有工艺简单、成本低等优点。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、以煤焦油为碳源，原料廉价易得、来源丰富，且富含芳烃结构单元，采用同时炭化、活化法直接制备得到超级电容器用二维多孔炭纳米片，工艺简单，实现了煤焦油的高附加值利用；
2、直接以廉价的氢氧化镁为模板，避免了昂贵的纳米金属氧化物模板的使用，降低了生产成本；
3、所制备的二维多孔炭纳米片材料具有很高的比表面积，达3235m2/g；
4、所制备的二维多孔炭纳米片电极材料，在6mol/LKOH水系电解液中，在0.05A/g电流密度下，其比容达327F/g；在20A/g电流密度下，其比容保持为267F/g，显示了很高的容量和极好的速率性能。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3制备的二维多孔炭纳米片的氮吸脱附等温线。
图2为本发明实施例1制备的二维多孔炭纳米片的透射电镜照片。
图3为本发明实施例2制备的二维多孔炭纳米片的透射电镜照片。
图4为本发明实施例3制备的二维多孔炭纳米片的透射电镜照片。
图5为本发明实施例1、2、3、4、5制备的二维多孔炭纳米片电极材料在6mol/LKOH电解液中，在不同电流密度下的比容随电流密度的变化图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是本发明要保护的范围并不局限于实施例说明的范围，应当理解成事例性的，本领域的技术人员可以在不违背本发明精神和范围的基础上进行改变和修改，所有这些改变和修改包括在本发明范围内。
实施例1
二维多孔炭纳米片PCNS10-800的具体制备过程如下：
(1)反应物的预处理：称取10g氢氧化钾固体放入研钵中，研磨粉碎，加入10g粉末状氢氧化镁，将二者混合均匀，将所得混合后的粉末逐渐放入盛有5g煤焦油的烧杯中，放在磁力搅拌器上进行加热并用玻璃棒搅拌混合均匀，得到混合物，将所得混合物静置12h，得到反应物；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉瓷舟中，将所述刚玉舟放置于水平管式炉内，以60mL/min的流量通入氩气将管式炉内的空气排净，采用常规加热电炉加热，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至300℃，恒温30min，继续以相同的升温速率将管式炉加热至终温800℃，恒温1h，反应结束后自然降至室温，然后将得到的产物取出，研磨粉碎后放入烧杯中，加入2mol/L稀盐酸，超声震荡1h，再用磁力搅拌器在室温下搅拌12h，然后用80℃左右的蒸馏水洗涤至滤液为中性，将洗涤后的样品置于鼓风干燥箱内于110℃恒温干燥24h后研磨过325目筛，得到二维多孔炭纳米片。所得二维多孔炭纳米片标记为PCNS10-800。PCNS10-800用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PCNS10-800的比容为178F/g；在20A/g电流密度下，PCNS10-800的比容为142F/g。
实施例2
二维多孔炭纳米片PCNS15-800的具体制备过程如下：
(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施，不同之处在于，氢氧化钾的质量为15g；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得二维多孔炭纳米片标记为PCNS15-800。PCNS15-800用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PCNS15-800的比容为248F/g；在20A/g电流密度下，PCNS15-800的比容为188F/g。
实施例3
二维多孔炭纳米片PCNS20-800的具体制备过程如下：
(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。不同之处在于，氢氧化钾的质量为20g；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得二维多孔炭纳米片标记为PCNS20-800。PCNS20-800用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PCNS20-800的比容为327F/g；在20A/g电流密度下，PCNS20-800的比容为267F/g。
实施例4
二维多孔炭纳米片PCNS20-850的具体制备过程如下：
(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。不同之处在于，氢氧化钾的质量为20g；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。不同之处在于，加热终温为850℃。所得二维多孔炭纳米片标记为PCNS20-850。PCNS20-850用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PCNS20-850的比容为200F/g；在20A/g电流密度下，PCNS20-850的比容为132F/g。
实施例5
二维多孔炭纳米片PCNS20-900的具体制备过程如下：
(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。不同之处在于，氢氧化钾的质量为20g；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。不同之处在于，加热终温为900℃。所得二维多孔炭纳米片标记为PCNS20-900。PCNS20-900用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/LKOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PCNS20-900的比容为177F/g；在20A/g电流密度下，PCNS20-900的比容为126F/g。
表1为超级电容器用二维多孔炭纳米片的孔结构参数。
表1超级电容器用二维多孔炭纳米片的孔结构参数

Claims (2)

1.一种超级电容器用二维多孔炭纳米片的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
(1)反应物的预处理：将氢氧化镁放入研钵，加入研磨成粉末的氢氧化钾，两者混合均匀，将所得的混合物放入盛有煤焦油的烧杯中，在加热的同时进行搅拌，搅拌均匀后静置12h，得到反应物；
其中：氢氧化钾的质量占氢氧化钾、氢氧化镁和煤焦油三者混合物总质量的2/5～4/7，氢氧化钾与煤焦油的质量比为2/1～4/1；
(2)二维多孔炭纳米片的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉舟中，然后将所述刚玉舟放置于水平管式炉内，通入氩气将管式炉内的空气排净，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至300℃，恒温30min，继续以5℃/min的升温速率将管式炉加热至终温800～900℃，恒温1h，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨,经酸洗、蒸馏水洗涤至中性，干燥后得到二维多孔炭纳米片。
2.如权利要求1所述的一种超级电容器用二维多孔炭纳米片的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述煤焦油的质量为5g，所述氢氧化镁的质量为10g，所述氢氧化钾的质量为20g；在步骤(2)中，将管式炉加热至终温800℃。
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