CN108328601A - 电化学应用的分级多孔碳纳米薄片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超级电容器的电极材料制备方法及应用,具体是涉及分级多孔碳纳米薄片制备及电化学用。公开了一种使用K2CO3为辅助原料,通过控制温度制度来调节碳纳米薄片表面的孔径大小和分布的制备方法及其作为超级电容器电极材料,其特征在于:所述材料在碳纳米薄片的表面具有许多孔径尺寸不同,且分布具有一定规律的分级多孔碳材料。与传统的模板法相比,该方法操作简单,工艺流程绿色环保,适合企业大规模化生产。这种分级多孔的碳纳米薄片,不同大小的孔径,可以促进离子的吸附和脱附,加速电子的快速传输,可以显著地改善和提高碳材料的电容性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的分级多孔碳纳米薄片材料的制备及其作为超级电容器的电极材料的应用,其特征在于以K2CO3为辅助原料,通过产生CO2气体的速率来控制碳纳米片材料的孔径分布和大小,相比于其他的模板法制备分级多孔材料,具有明显的优势。
背景技术
分级多孔碳材料的表面具有不同尺寸和分布的孔结构,以及较大的比表面积,从而使其在气体吸附和扩散以及能量存储领域具有重要的应用。
近年来,超容电容器因其众多优异的性能,已经受到了人们的极大的关注。一般而言,超容的容量主要取决于,材料的比表面积、电极材料的自然属性、材料的孔径分布以及材料的导电性能。现在商用超级电容器电极材料主要是碳材料,与此同时,不同形貌的碳材料被制备了出来。其中,分级多孔的碳材料由于其独特的表面结构,引起了人们的极大兴趣。分级多孔的碳纳米片材料,根据孔径的大小将材料的孔径分为微孔(<2 nm)、介孔(2-50nm)以及大孔(>50 nm)。在电解液中,不同的孔径与不同直径大小的离子具有不同的作用,微孔可以作为离子和电子的快速传输通道,而中孔又可以对离子有良好的吸附作用,促进离子的扩散。小于1nm的微孔同时具有较大的比表面积可以表现出最好的电容量。相比于其莫办法制备出来的分级多孔碳材料,该方法绿色环保,工艺简单高效,首次通过引入K2CO3为原料,通过在制备工程中,控制升温速率以及保温时间,成功制备出分级多孔的碳纳米薄片材料。
发明内容
本发明的目的是,通过控制温度制度来控制CO2气体产生的速率,进而控制碳纳米薄片表面孔径的大小和分布。所得的材料作为超级电容器的电极材料表现出良好的超容性能。
本发明的目的在于提供一种具有分级多孔碳材料的制备方法及其超级电容器中的应用。实现本发明目的的技术方案为制备一种分级多孔结构的碳纳米片材料,并将其应用于超级电容器的电极材料,相比于传统的模板法制备多孔材料,本发明具有一定的创新性。
一种分级多孔碳纳米薄片制备其特征在于该电极材料采用以下步骤:
(1)用天平称取一定量的柠檬酸钾和一定量的碳酸钾加入到玛瑙研钵中研磨成混合均匀的白色粉体材料。
(2)用天平称取步骤(2)中的混合粉体2 g加入到瓷舟中,放入到管式炉中,通入惰性气体氩气,在2℃/min的升温速率下,加热至350℃,保温2 h,随后在5℃/min的速率下,加热至900℃,最后自然冷至室温,用玛瑙研钵研磨收集。
(3)配置1 L 1mol/L标准的HCl溶液,将步骤(2)中的产物加入到200 ml的1 mol/L标准HCl溶液中,并用玻璃棒搅拌,随后静置沉淀2 h,收集沉淀于烧杯底部的产物,用去离子水离心洗涤,多次重复上述操作,以去除产物中残留的杂质。
(4)将步骤(3)中的产物放入到110℃的真空干燥箱中,干燥48 h,最后用玛瑙研钵研磨最终产物,并收集。
其中,步骤(1)中柠檬酸酸钾和碳酸钾的质量比为5:1。
将上述制备方法制得的分级多孔碳纳米片用于超级电容器的电极材料,并对其电化学性能进行测试。
本发明的优异效果是,通过控制气体产生速率,以碳酸钾为造孔剂,通过简单的高温固相法制备分级多孔碳纳米片。本发明是易于规模化生产的分级多孔碳纳米片的制备方法和应用,以有效提高材料的电化学应用。本发明的所制备的分级多孔碳纳米片具有较大的比表面积,因而可以作为超级电容器的电极材料提供更多的反应活性位点。本发明区别于传统的硬模板制备多孔材料的方法,无需模板引入过程,简单易行,易于大规模工业化生产。
附图说明
图1分级多孔的碳纳米薄片的XRD图。
图2分级多孔的碳纳米薄片的的高倍TEM图。
图3分级多孔的碳纳米薄片的GCD图。
图4 超级电容器的恒电流充放电曲线图。
具体实施方案
下述实施例中所使用的实验方法无如特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所使用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
本发明下述实施例中所使用的反应初始物为市售分析纯的柠檬酸钾、碳酸钾,性能测试中的电解液为1M溶液,去离子水为自制。
下述实施例中,采用日本理学的Rigaku D-max2500/pc型X射线衍射仪(XRD)(Cu Kα射线,λ=0.154nm,电压为40kV,电流40mA),采用日本理学JEOL-JEM-2100透射电镜(TEM),电子束加速电压为100kV,观察制备的分级多孔碳纳米片的形貌。性能测试使用上海辰华CH760E电化学工作站,在不同的电流密度下测试其恒电流充放电性能。
实施例1,通过调控升温速率来制备分级多孔碳纳米片
柠檬酸钾和碳酸钾各称取10g,混合后用球磨机研磨2h,两者混合均匀后,把上述混合物置于瓷舟中,放置在管式炉的中间加热部位,加热参数设置如下:设置从室温升到900℃,升温速率依次为3℃/min、4℃/min、5℃/min,从而得到3中不同的样品,分别标记为1:1-3,1:1-4,1:1-5。
图1为实施例1制备的分级多孔碳纳米薄片的XRD图。由图1可知从图1可以看出在15-35°附近,具有一个明显的无定形碳的宽峰,表明该材料的主要组成元素是无定形碳,同时没有发现发现其他杂峰的存在,表明该材料具有良好的纯度,且发现随着升温速率的上升材料的结晶强度会越高然后又下降,在4℃/min的升温速率下,产物的结晶度最好。本发明的分级多孔碳纳米薄片材料已经被成功制备出来,。
当升温速率为4℃/min时的产物,此升温速率下制备的分级多孔的碳纳米薄片具有稳定的多孔分布结构,如图2是该材料的高倍投射电镜图,从中可以看出,不同尺寸的孔径均匀分布在碳纳米薄片的表面。
将产物作为超级电容器的电极材料,在1 mol/L的KOH水性电解液下,1A/g的电流密度下,其恒电流充放电曲线表现出良好的对成型,具有稳定三角形形状,说明该材料具有良好的双电层电容性能。
相比于传统的模板法制备的分级多孔碳纳米片,本方法所制备的分级多孔的碳纳米片具有更好的电化学性能,在1A/g 的电流密度下,材料的电容达到了180 F/g,展示了其具有优异的电化学性能。
Claims (5)
1.一种分级多孔碳纳米薄片制备方法,其特征包括以下步骤:(1)用天平称取一定量的柠檬酸钾和一定量的碳酸钾加入到玛瑙研钵中研磨成混合均匀的白色粉体材料;(2)用天平称取步骤(2)中的混合粉体2 g加入到瓷舟中,放入到管式炉中,通入惰性气体氩气,在2℃/min的升温速率下,加热至350℃,保温2 h,随后在5℃/min的速率下,加热至900℃,最后自然冷至室温,用玛瑙研钵研磨收集;(3)配置1 L 1mol/L标准的HCl溶液,将步骤(2)中的产物加入到200 ml的1 mol/L标准HCl溶液中,并用玻璃棒搅拌,随后静置沉淀2 h,收集沉淀于烧杯底部的产物,用去离子水离心洗涤,多次重复上述操作,以去除产物中残留的杂质;(4)将步骤(3)中的产物放入到110℃的真空干燥箱中,干燥48 h,最后用玛瑙研钵研磨最终产物,并收集。
2.如权利1所述的一种分级多孔碳纳米薄片制备方法,其特征在于步骤(1)中柠檬酸酸钾和碳酸钾的质量比为5:1。
3.如权利1所述的一种分级多孔碳纳米薄片制备方法,其特征在于步骤(1)中的多次研磨是指3次。
4.如权利1所述的一种分级多孔碳纳米薄片制备方法,其特征在于步骤(2)中先热至350℃,保温2 h,然后再加热至900℃。
5.如权利1所述的一种分级多孔碳纳米薄片制备方法,其特征在于步骤(3)使用的HCL溶液为1mol/L。
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Application publication date: 20180727 |