CN108117059A - 一种制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，属于碳材料制备技术领域。该方法以直线型蒽分子为碳源，以纳米氧化镁和氢氧化钾作为模板剂和活化剂，三者按照合适的比例研磨混合均匀后，在炉内，在流动的氩气气氛下，加热制得混合物，再通过酸洗水洗等净化方法获得超级电容器用多孔类石墨烯纳米片。本发明所得多孔类石墨烯纳米片的比表面积高，介于1457～2343m2/g之间，平均孔径介于2.39～3.32nm之间。所得多孔类石墨烯纳米片作为超级电容器电极材料，在电流密度为0.05A/g时，其比容达268F/g；电流密度增大到20A/g时，其比容保持为204F/g，显示了很高的容量和很好的速率性能。

Description

一种制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法
技术领域
本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种采用直线型蒽分子为碳源超级电容器多孔类石墨烯纳米片的制备方法。
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、循环稳定性好以及安全系数高的储能元件。近年来，随着对储能器件要求的不断提升，很多学者将目光投向了超级电容器。
要想获得高性能的超级电容器，需要充分地了解影响其性能的因素。超级电容器的性能主要受集流体、电极材料、电解液与隔膜等组件因素的影响。其中，对超级电容器性能起决定性作用的是电极材料。由于多孔碳具有比表面积高、廉价易得、适合工业化生产等优点，受到了广大学者的青睐。目前制备多孔碳材料的原料主要有化石类、生物质类和聚合物等。
蒽是煤焦化过程中得到的一种有蓝紫色荧光的色片状晶体，密度(1.283g/cm3)，大于水。蒽分子组成简单，分子式为C14H10，它是一种含有三个苯环的直线型分子，其三个苯环的中心在一条直线上，对称性非常高，是合成多孔类石墨烯纳米片潜在的原料。蒽是生产发光材料、涂层材料以及农业上制备杀虫剂等的重要原料。
本发明以蒽分子为碳源，具有原料纯度高、廉价易得且富含芳环的结构单元、容易在模板限域的纳米空间内形成导电性好的多孔类石墨烯纳米片的优点。以廉价的焦化副产物蒽为碳源，不但原料来源丰富，而且能够提高副产物的附加值，同时采用纳米氧化镁为模板也可以降低生产成本。
目前，缺乏一种比表面积高的采用直线型蒽分子为碳源制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种比表面积高的采用直线型蒽分子为碳源制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，具体包括如下步骤：
(1)反应物的预处理：分别称取氢氧化钾、纳米氧化镁和蒽，其中：氢氧化钾研磨成粉末，与纳米氧化镁混合均匀，然后将蒽、氢氧化钾与纳米氧化镁的混合物研磨混合均匀，得到反应物。
所述氢氧化钾的质量占氢氧化钾、纳米氧化镁和蒽三者混合物总质量的2/5～6/11，所述氢氧化钾与蒽的质量比为2:1～3:1。
(2)多孔类石墨烯纳米片的制备：将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，在升温条件下进行反应，反应结束后自然冷却至室温，将得到的产物取出研磨、洗涤、干燥、过筛，得到多孔类石墨烯纳米片。
进一步的，所述步骤(1)中：蒽、纳米氧化镁、氢氧化钾三者的质量比为2:3:6。
进一步的，所述步骤(2)中的升温条件为以5℃/min的升温速率将管式炉加热至220℃，恒温30min，继续以5℃/min的升温速率将管式炉加热至终温800～1000℃，恒温1h。
更进一步的，所述步骤(2)中，将管式炉加热至终温900℃。
进一步的，所述步骤(2)中的洗涤是将产物依次经酸洗、蒸馏水洗涤至中性。
进一步的，所述步骤(2)中的干燥是将产物置于鼓风干燥箱中110℃恒温干燥12h。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)基于我国煤炭资源丰富，现以分馏炼焦副产物煤焦油得到蒽油，再结晶分离出纯物质蒽，以所得直线型蒽分子作为碳源，可以提高原料的利用率和附加值。
(2)目前以纯物质蒽作为碳源来制备多孔类石墨烯纳米片用于超级电容器尚未有相关的报道。所制备的多孔类石墨烯纳米片的比表面积介于1457～2343m2/g之间，平均孔径介于2.39～3.32nm之间。
(3)以直线型蒽分子作为碳源，纳米氧化镁为模板耦合氢氧化钾活化制备的多孔类石墨烯纳米片，所得的多孔石墨烯纳米片材料具有高的比表面积，最高能达到2343m2/g。
(4)以蒽分子为碳源制备的超级电容器电极材料，在0.05A/g的电流密度下，其比容能达268F/g，在20A/g的电流密度下其比容达204F/g，表现出了良好的速率性能。采用常规的管式炉加热，制备方法简单，所制备的多孔类石墨烯纳米片形貌可控。
(5)本发明是以芳香性的蒽为碳源，分别以廉价的纳米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多孔类石墨烯纳米片材料。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3制备的多孔类石墨烯纳米片的氮吸脱附等温线。
图2为本发明实施例3制备的多孔类石墨烯纳米片的透射电镜照片。
图3为本发明实施例1、2、3制备的多孔类石墨烯纳米片电极材料在6mol/L KOH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
如图1所示，本发明的超级电容器用多孔类石墨烯纳米片PGNS800的制备方法，包括如下步骤：
(1)反应物的预处理：称取18g氢氧化钾固体放入研钵中，研磨粉碎，加入9g粉末状纳米氧化镁，将二者混合均匀，将所得混合后的粉末逐渐放入盛有6g蒽的研钵中，研磨混合均匀，得到混合的反应物；
(2)多孔类石墨烯纳米片的制备：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，采用常规管式炉加热，以5℃/min的升温速率将管式炉加热至220℃，恒温30min，并且随着温度的升高将保护气的流量逐渐减小，直到最后的流量为5mL/min，在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70℃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，得到多孔类石墨烯纳米片。所得多孔类石墨烯纳米片标记为PGNS800。PGNS800用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/L KOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PGNS800的比容为208F/g；在20A/g电流密度下，PGNS800的比容为137F/g。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：
如图2所示，本发明的超级电容器用多孔类石墨烯纳米片PGNS900的制备方法，包括如下步骤：
在步骤(1)中，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；
在步骤(2)中，多孔类石墨烯纳米片的制备：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，碳化活化终温为900℃。所得多孔类石墨烯纳米片标记为PGNS900。PGNS900用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/L KOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PGNS900的比容为268F/g；在20A/g电流密度下，PGNS900的比容为204F/g。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：
如图3所示，本发明的超级电容器用多孔类石墨烯纳米片PGNS1000的制备方法，包括如下步骤：
在步骤(1)中，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；
在步骤(2)中，多孔类石墨烯纳米片的制备：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，碳化活化终温为1000℃。所得多孔类石墨烯纳米片标记为PGNS1000。PGNS1000用作对称型超级电容器电极材料，在6mol/L KOH电解液中，在0.05A/g电流密度下，PGNS1000的比容为221F/g；在20A/g电流密度下，PGNS1000的比容为181F/g。
将实施例1至实施例3中的样品进行检测，得到实施例1至实施例3的超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的孔结构参数如表1所示：
表1
由表1所示，本发明二维多孔炭纳米片材料具有高的比表面积，最高能达到2343m2/g。作为超级电容器电极材料显示了很高的容量和极好的速率性能。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)反应物的预处理：分别称取氢氧化钾、纳米氧化镁和蒽，其中：氢氧化钾研磨成粉末，与纳米氧化镁混合均匀，然后将蒽、氢氧化钾与纳米氧化镁的混合物研磨混合均匀，得到反应物；
所述氢氧化钾的质量占氢氧化钾、纳米氧化镁和蒽三者混合物总质量的2/5～6/11，所述氢氧化钾与蒽的质量比为2:1～3:1；
(2)多孔类石墨烯纳米片的制备：将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，在升温条件下进行反应，反应结束后自然冷却至室温，将得到的产物取出研磨、洗涤、干燥、过筛，得到多孔类石墨烯纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，其特征在于：所述步骤(1)中：蒽、纳米氧化镁、氢氧化钾三者的质量比为2:3:6。
3.根据权利要求1所述的制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的升温条件为以5℃/min的升温速率将管式炉加热至220℃，恒温30min，继续以5℃/min的升温速率将管式炉加热至终温800～1000℃，恒温1h。
4.根据权利要求3所述的制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将管式炉加热至终温900℃。
5.根据权利要求1所述的制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的洗涤是将产物依次经酸洗、蒸馏水洗涤至中性。
6.根据权利要求1所述的制备超级电容器用多孔类石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的干燥是将产物置于鼓风干燥箱中110℃恒温干燥12h。
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