CN107591254A - 一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法 - Google Patents

一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，包括如下步骤：1）将石墨烯粉末与Na2S粉末按照一定质量百分比的比例混合，研磨使其混合均匀；2）将上述混合材料进行快速退火处理，通入N2‑H2S混合气体，气体压强为常压，N2和H2S的分压比为10:90，当温度升高到设定值1000℃时，将混合材料放入退火区域，退火时间为30秒；3）退火结束后，在H2S气氛中维持该真空度，自然冷却到室温，得到石墨烯/Na2S复合纳米材料。本发明还公开了上述制备方法制得的石墨烯/Na2S复合纳米材料，其中Na2S大多为颗粒状，还有少部分为纳米线状；石墨烯为二维片状结构，Na2S分布附着在片状石墨烯上。

Description

一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料领域，尤其是石墨烯与硫化物的复合纳米材料领域。
背景技术
超级电容器的发展始于20世纪70年代，是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件。超级电容器理论电容量是普通电容器的几千倍，功率密度比普通电池高数十倍以上，充放电循环次数可达十万次，并且能够在严苛的温度条件下工作，而且对环境无污染。由于上述优点，所以自超级电容器出现以来，其作为一种新型储能器件受到了世界各国的广泛关注。超级电容器在许多领域都有着广泛的应用前景，比如电动汽车、工业领域电源、军事航天领域等。不过，超级电容器行业目前还需要进行大力的研发，以寻找更合适的电极材料、更好的制备方法等来提升产品的性能，降低产品的价格以拓宽超级电容器在新领域的应用。
石墨烯是一种由sp2杂化的碳原予以共价键连接的呈六角环形蜂窝状的二维超薄材料,具有优异的力学、热学、电学和光学性质。石墨烯的抗拉强度为130GPa，杨氏模量为1.0TPa，是世界上强度最高的材料；单层石墨烯在室温下热导率比传统导热材料金刚石高出1倍以上；在电学性质上，石墨烯是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料，所以表现出许多独特的物性；石墨烯中载流子可以是电子也可以是空穴，具有高迁移率,，而且迁移率几乎与温度无关；载流子的有效速度达到了106m/s，接近光速；在室温下观测到石墨烯里的载流子都具有不同寻常的半整数量子霍尔效应。基于这一系列的优点，石墨烯以及其与其他材料的复合的研究目前报道很多，比如石墨烯与硫化物的复合纳米材料也有较多的报道。但目前石墨烯与硫化物的复合纳米材料通常在溶液中制备，工序复杂，工艺不易控制，因此性能稳定性不够。本发明提供一种石墨烯/Na2S的新型的复合纳米材料，并提供一种简单易行的全新的制备方法。
发明内容
本发明旨在发明一种简单易行的全新的石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法。
本发明提供了一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，包括如下步骤：
1）将石墨烯粉末与Na2S粉末按照质量百分比70-75:30-25的比例混合，然后机械研磨3小时，使其混合均匀；
2）将上述混合材料进行快速退火处理，通入N2-H2S混合气体，气体压强为常压，N2和H2S的分压比为10:90，当温度升高到设定值1000℃时，将混合材料放入退火区域，退火时间为30秒；
3）退火结束后，停止通入N2，仅通入H2S，并在10秒内将真空度抽至100Pa，然后在H2S气氛中维持该真空度，自然冷却到室温，得到石墨烯/Na2S复合纳米材料。
本发明还提供了根据上述制备方法制得的一种用于超级电容器的石墨烯/Na2S复合纳米材料，其中Na2S大多为颗粒状，尺寸为5-15nm；还有少部分为纳米线状，直径3-5nm，长度100-200nm；石墨烯为二维片状结构，厚度约1-2nm，Na2S分布附着在片状石墨烯上。
本发明的有益成果在于：
1）本发明制备的石墨烯/Na2S复合纳米材料，Na2S为颗粒状或纳米线状，与石墨烯有效复合，无其它结构形态出现，结构均一。
2）本发明的石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，不需要化学与溶液过程，仅使用简单的气氛快速退火炉设备，可节约大量化学试剂，减少废弃物排放，有利于节能、减排和环保。
3）本发明的石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，设备工艺简单，操作简便易行，适用于商业化生产。
3）本发明制备的石墨烯/Na2S复合纳米材料，颗粒状的Na2S可有效增加复合材料的活性电位，纳米线状的Na2S可有效缓冲充放电过程中的体积变化，二维层状石墨烯为基体材料，是一种性能良好的超级电容器电极材料。
附图说明
图1为实施例1得到的石墨烯/Na2S复合纳米材料的透射电子显微镜（TEM）图。Na2S大多为颗粒状，尺寸为5-15nm，还有少部分为纳米线状，直径3-5nm，长度100-200nm，石墨烯厚度约1-2nm，Na2S分布附着在石墨烯上。
图2为实施例1得到的石墨烯/Na2S复合纳米材料作为电极时的充放电曲线。该电极材料的性能：具有法拉第准电容特性；在1 A/g的电流密度下，比电容958 F/g；当电流密度增加到10 A/g时，比电容为827 F/g，保持率为92.1%；循环测试5000次后，比电容保持率为98.5%。性能优异。
具体实施方式
实施例1
1）将石墨烯粉末与Na2S粉末按照质量百分比72.5:27.5的比例混合，然后机械研磨3小时，使其混合均匀；
2）将上述混合材料进行快速退火处理，通入N2-H2S混合气体，气体压强为常压，N2和H2S的分压比为10:90，当温度升高到设定值1000℃时，将混合材料放入退火区域，退火时间为30秒；
3）退火结束后，停止通入N2，仅通入H2S，并在10秒内将真空度抽至100Pa，然后在H2S气氛中维持该真空度，自然冷却到室温，得到石墨烯/Na2S复合纳米材料。
对制得的石墨烯/Na2S复合纳米材料进行形貌分析，采用透射电子显微镜（TEM）。图1为本实施例得到的石墨烯/Na2S复合纳米材料的透射电子显微镜（TEM）图，其中Na2S大多为颗粒状，颗粒尺寸为5-15nm；还有少部分Na2S为纳米线状，直径3-5nm，长度100-200nm；石墨烯为二维片状结构，厚度约1-2nm，Na2S分布附着在片状石墨烯上。
以本实施例制得的石墨烯/Na2S复合纳米材料作为超级电容器的电极，进行电学性能测试。测试结果显示，石墨烯/Na2S复合纳米材料具有法拉第准电容特性；在1 A/g的电流密度下，比电容958 F/g；当电流密度增加到10 A/g时，比电容为827 F/g，保持率为92.1%；循环测试5000次后，比电容保持率为98.5%，循环稳定性能优异；如图2为本实施例1得到的石墨烯/Na2S复合纳米材料作为电极时的充放电曲线。
实施例2：
1）将石墨烯粉末与Na2S粉末按照质量百分比70:30的比例混合，然后机械研磨3小时，使其混合均匀；
2）将上述混合材料进行快速退火处理，通入N2-H2S混合气体，气体压强为常压，N2和H2S的分压比为10:90，当温度升高到设定值1000℃时，将混合材料放入退火区域，退火时间为30秒；
3）退火结束后，停止通入N2，仅通入H2S，并在10秒内将真空度抽至100Pa，然后在H2S气氛中维持该真空度，自然冷却到室温，得到石墨烯/Na2S复合纳米材料。
对本实施例制得的石墨烯/ Na2S复合纳米材料进行形貌分析，采用透射电子显微镜（TEM），形貌与实施例1基本相同。以本实施例制得的石墨烯/ Na2S复合纳米材料作为超级电容器的电极，进行电学性能测试。测试结果显示，该电极材料具有法拉第准电容特性；在1 A/g的电流密度下，比电容975 F/g；当电流密度增加到10 A/g时，比电容为894 F/g，保持率为91.7%；循环测试5000次后，比电容保持率为97.9%。性能优异。
实施例3：
1）将石墨烯粉末与Na2S粉末按照质量百分比75:25的比例混合，然后机械研磨3小时，使其混合均匀；
2）将上述混合材料进行快速退火处理，通入N2-H2S混合气体，气体压强为常压，N2和H2S的分压比为10:90，当温度升高到设定值1000℃时，将混合材料放入退火区域，退火时间为30秒；
3）退火结束后，停止通入N2，仅通入H2S，并在10秒内将真空度抽至100Pa，然后在H2S气氛中维持该真空度，自然冷却到室温，得到石墨烯/Na2S复合纳米材料。
对本实施例制得的石墨烯/ Na2S复合纳米材料进行形貌分析，采用透射电子显微镜（TEM），形貌与实施例1基本相同。以本实施例制得的石墨烯/ Na2S复合纳米材料作为超级电容器的电极，进行电学性能测试。测试结果显示，该电极材料具有法拉第准电容特性；在1 A/g的电流密度下，比电容931 F/g；当电流密度增加到10 A/g时，比电容为839 F/g，保持率为90.1%；循环测试5000次后，比电容保持率为99.1%。性能优异。
以上所述，将仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将石墨烯粉末与Na2S粉末按照质量百分比70-75:30-25的比例混合，然后机械研磨3小时，使其混合均匀；
2）将上述混合材料进行快速退火处理，通入N2-H2S混合气体，气体压强为常压；
3）退火结束后，停止通入N2，仅通入H2S，并在10秒内将真空度抽至100Pa，然后在H2S气氛中维持该真空度，自然冷却到室温，得到石墨烯/Na2S复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，其特征在于：步骤2）N2-H2S混合气体的N2和H2S的分压比为10:90。
3.根据权利要求1所述的一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，其特征在于：步骤2）所述快速退火处理为当温度升高到设定值1000℃时、将混合材料放入退火区域，退火时间为30秒。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，其特征在于：所述石墨烯/Na2S复合纳米材料，Na2S大多为颗粒状，还有少部分为纳米线状；石墨烯为二维片状结构，Na2S分布附着在片状石墨烯上。
5.根据权利要求4任一项所述的一种超级电容器用石墨烯/Na2S复合纳米材料及其制备方法，其特征在于：Na2S颗粒尺寸为5-15nm，Na2S纳米线状，直径3-5nm，长度100-200nm；片状石墨烯厚度约1-2nm。
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