CN110808170B - 具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器及制备方法。正极材料是由一步煅烧法得到g‑C3N4/石墨烯为基底，并进一步负载NiS2，获得多孔层状结构氮化碳/石墨烯/二硫化镍，负极材料为通过溶剂热法制备的三维多孔结构氮化碳/石墨烯。组装成的水系非对称超级电容器工作电压为1.6V，当能量密度为56Wh kg‑1时，功率密度达到800W kg‑1，并且循环10000次后容量几乎无衰减。在实现高比能量的同时，保持了超级电容器高比功率的特性，且制备成本低廉，绿色环保，具有很高的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于非对称超级电容器电极材料的技术领域，具体涉及一种基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器及制备方法。
背景技术
超级电容器是一种重要的电化学储能装置，因具有充放电速度快、循环寿命长、高的能量密度和功率密度等优势，使其在绿色能源、交通运输、电子信息等众多领域具有广阔的应用前景。根据超级电容器电解液的不同类型，可分为水系和有机系超级电容器。水系超级电容器比有机体系更具安全性，且制备成本低、环境友好。此外，根据超级电容器的结构,还可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。与对称型超级电容器相比，非对称型超级电容器能够充分利用不同材料的电容存储优势，有效提高超级电容器的工作电压、储电容量以及循环寿命等特征,对于实现超级电容器高效能量存储发挥着重要作用。
在非对称型超级电容器中,负极通常采用多孔碳材料(如活性炭)通过形成界面双电层来储存电能，而正极采用能量密度更高的赝电容电极材料或混合型电极材料。但是活性炭的比电容小于200F/g，在装配非对称电容器时难以与赝电容型正极材料形成匹配，对超级电容器的性能产生了较大限制。相应地，开发掺杂类型(如：N,P,B等)并构筑丰富孔道结构的碳基材料，提高负极材料的电容量，显得尤为重要。基于金属化合物的赝电容型正极材料在水系电解液(碱性)中表现出优良的可逆氧化还原反应特性，具有比电容高、成本低、易合成和低毒性的优点，但是其低的电子迁移率和快速氧化还原过程伴随的体积变化对电极的结构造成不利影响，因而电容性和循环稳定性较差。相应地，获得电容量高、导电性好且结构稳定的正极材料，长期受到广大研究者的关注。除此以外，如何科学合理地将双电层型负极材料和赝电容型正极材料匹配结合，满足实际储能应用对于高能量密度、高功率密度和长使用寿命的要求，一直是非对称超级电容器领域研究的关键点与难点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器及制备方法。正极材料是基于制备的多孔层状结构的氮化碳/石墨烯，并进一步与NiS2赝电容型材料复合，形成具有异质结构的氮化碳/石墨烯/二硫化镍的复合材料，使该正电极材料具有比容量高，稳定性好的特点。此外，制备的负极材料氮化碳/石墨烯材料具有三维多孔结构，为电子的传输提供快速的导电通道，加速了电化学反应过程，实现高能量存储。所制备的水系非对称超级电容器具备高功率密度和能量密度、长寿命等优点，可以满足未来能源储存设备的实际要求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器的制备方法，所述的水系非对称超级电容器采用多孔层状的氮化碳/石墨烯/二硫化镍为正极材料，多孔结构的氮化碳/石墨烯为负极材料，具体制备步骤如下：
(1)正极材料氮化碳/石墨烯/二硫化镍的制备
将纤维素粉分散在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，在加热、搅拌条件下，与有机小分子进行反应，得到改性纤维素分散溶液，然后向改性纤维素溶液中滴加石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液，搅拌均匀后通过离心、分离、洗涤再分散于水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液；将改性纤维素修饰的石墨烯水溶液加入溶解有三聚氰胺的酸性水溶液中，混合均匀并结合后，离心、干燥，将产物进行煅烧，冷却后得到自组装多孔层状的石墨相氮化碳(g-C3N4)/石墨烯；将g-C3N4/石墨烯在N,N-二甲基甲酰胺溶液中超声，然后过滤、洗涤，再分散于水中得到g-C3N4/石墨烯的水相分散液，紧接着将g-C3N4/石墨烯的水相分散液与硝酸镍和硫脲的乙二醇溶液混合均匀，将形成的混合液在恒温条件下进行溶剂热反应，反应结束后通过抽滤、洗涤收集产物，然后干燥，得到多孔层状结构的氮化碳/石墨烯/二硫化镍正极材料；
(2)负极材料氮化碳/石墨烯的制备
将三聚氰胺溶于酸性水溶液中，然后离心、干燥，之后进行高温煅烧得到多孔结构的g-C3N4；将所得g-C3N4在N,N-二甲基甲酰胺溶液中超声，然后过滤、洗涤，再分散于水中，紧接着把g-C3N4的水相分散液加入到氧化石墨烯水溶液中，混合均匀后，进行溶剂热反应；反应结束后，通过过滤、洗涤、冷冻干燥收集产物，得到多孔结构的氮化碳/石墨烯负极材料；
(3)电极的制备
将正极材料和负极材料分别与导电炭黑和聚偏氟乙烯混合均匀，滴加N-甲基吡咯烷酮作溶剂，搅拌均匀后将其涂覆在泡沫镍上，通过真空干燥，即分别得到正极和负极；
(4)制备水系非对称电容器
以碱性水溶液作为电解液，将正极、负极和隔膜组装成基于氮化碳/石墨烯/二硫化镍与氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器。
进一步地，步骤(1)中所述的有机小分子为丁二酸酐、柠檬酸、甘氨酸、谷氨酸和巯基乙酸中的一种。
进一步地，步骤(1)中有机小分子与纤维素粉的摩尔量比为1:(0.05～0.5)；
步骤(1)中改性纤维素与石墨烯的质量比为1:(0.3～4)；
步骤(1)石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液中石墨烯的浓度为0.2～4mg/mL。
进一步地，步骤(1)中用于溶解三聚氰胺的酸性水溶液的pH值为1～3；
步骤(1)中将改性纤维素修饰的石墨烯水溶液加入溶解有三聚氰胺的酸性水溶液中的方式为逐滴滴加，且改性纤维素修饰的石墨烯与三聚氰胺的质量比为1:(10～100)。
进一步地，步骤(1)中煅烧温度为500～600℃，时间为2～6h；
步骤(1)中g-C3N4/石墨烯先分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液超声功率为250W，时间为0.5～4h；
步骤(1)中g-C3N4/石墨烯的水相分散液浓度为0.5～5mg/mL；
步骤(1)中g-C3N4/石墨烯、硝酸镍和硫脲之间比例为(15～60)mg：0.6mmol：3mmol；
步骤(1)中溶剂热反应的温度为150～180℃，时间为10～20h。
进一步地，步骤(2)中用于溶解三聚氰胺的酸性水溶液的pH值为1～3；
步骤(2)中高温煅烧温度为500～600℃，时间为2～6h；
步骤(2)中g-C3N4在N,N-二甲基甲酰胺溶液超声的功率为250W，时间为0.5～4h后。
进一步地，步骤(2)中g-C3N4的水相分散液浓度为0.5～5mg/mL；
步骤(2)中g-C3N4与氧化石墨烯的质量比为1:(12～15)，溶剂热反应具体为在180℃的温度下反应5h。
进一步地，步骤(3)中正极材料与导电炭黑和聚偏氟乙烯之间的质量比以及负极材料与导电炭黑和聚偏氟乙烯之间的质量比均为7:2:1；
步骤(4)正极中正极材料和负极中负极材料之间的质量比为1:(3～5)。
基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器，采用上述的基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器的制备方法制得。
进一步地，当能量密度为56Wh kg-1时，功率密度为800W kg-1，当能量密度为27Whkg-1时，功率密度为16000W kg-1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)非对称超级电容器中正极材料是基于分子层面复合的多孔层状g-C3N4/石墨烯，进一步负载赝电容型NiS2纳米材料，形成具有异质结构氮化碳/石墨烯/二硫化镍的复合材料。该正极材料具备的多孔结构有利于电解液的浸润和电解质离子的快速迁移，实现高的比功率。同时由于层层组装结构比表面积利用率高，从而兼具高比能量特性。最终制备的具有异质结构的氮化碳/石墨烯/二硫化镍复合材料，在电化学反应过程中具有优良的赝电容特性和循环稳定性。
(2)非对称超级电容器中负极材料氮化碳/石墨烯是基于多孔的g-C3N4和氧化石墨烯通过溶剂热方法组装形成的三维多孔结构，复合材料的结构不仅保证整体负极与电解液充分接触，又为电子的传输提供了快速的传递通道，保证电化学反应的快速进行；同时三维结构负载的g-C3N4使储能活性位点增多，极大增强了负极材料的电容性能。
(3)基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器，具备高的功率密度和能量密度，当能量密度为56Wh kg-1时，功率密度为800W kg-1,当能量密度为27Wh kg-1时，功率密度为16000W kg-1，此外，该超级电容器具有优异的循环稳定性，循环10000次之后，容量几乎无衰减。
(4)本发明操作条件易于控制，设备简单，工艺环保且成本低廉，所制备电极材料具有高的能量密度、高的功率密度、循环稳定好、寿命长等优点，满足未来能源存储设备的实际使用需求，进而推动非对称水系超级电容器的发展及应用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备g-C3N4/石墨烯的TEM图；
图2是本发明实施例1制备氮化碳/石墨烯/二硫化镍正极材料的XRD图；
图3是本发明实施例1制备氮化碳/石墨烯/二硫化镍正极材料和氮化碳/石墨烯负极材料的循环伏安曲线图；
图4是本发明实施例1制备氮化碳/石墨烯/二硫化镍正极材料和氮化碳/石墨烯负极材料组装成水系非对称电容器能量-功率密度图；
图5是本发明实施例1制备氮化碳/石墨烯/二硫化镍正极材料和氮化碳/石墨烯负极材料组装成水系非对称电容器的循环稳定性测试图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
基于多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍为正极材料和氮化碳/石墨烯为负极材料的水系非对称超级电容器的制备方法，采用多孔层状的孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍为正极材料，多孔结构的氮化碳/石墨烯为负极材料，具体制备步骤如下：
(1)正极材料氮化碳/石墨烯/二硫化镍的制备
将纤维素粉分散在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，在加热、搅拌的条件下，与有机小分子进行反应，得到改性纤维素分散溶液；然后向其中滴加石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液，搅拌均匀后通过离心、分离、洗涤再分散到水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液。将石墨烯水溶液逐滴加入到三聚氰胺酸性溶液中，混合均匀并自组装后，离心、干燥，然后在高温下煅烧，冷却后得到多孔层状g-C3N4/石墨烯。将g-C3N4/石墨烯先分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液中进行超声，然后过滤、洗涤，再分散于水中，紧接着与硝酸镍、硫脲的乙二醇溶液混合均匀，形成的混合液转移到反应釜中进行溶剂热反应。反应后通过抽滤、洗涤收集产物，得到多孔层状结构的氮化碳/石墨烯/二硫化镍复合材料。
其中，所述的有机小分子为丁二酸酐、柠檬酸、甘氨酸、谷氨酸和巯基乙酸中的一种；有机小分子与纤维素粉摩尔比例为1:(0.05～0.5)；改性纤维素与石墨烯的质量比为1:(0.3～4)；石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液浓度为0.2～4mg/mL；用于溶解三聚氰胺的酸性水溶液pH值为1～3；改性纤维素修饰的石墨烯水溶液加入三聚氰胺酸性溶液中的方式为逐滴滴加，且改性纤维素修饰的石墨烯与三聚氰胺的质量比为1:(10～100)；煅烧温度为500～600℃，时间为2～6h；g-C3N4/石墨烯先分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，250W的功率下超声0.5～4h；g-C3N4/石墨烯的水相分散液浓度为0.5～5mg/mL；g-C3N4/石墨烯、硝酸镍和硫脲的比例为(15～60mg)：0.6mmol：3mmol；溶剂热的条件为：150～180℃温度下反应10～20h。
(2)负极材料氮化碳/石墨烯的制备
将三聚氰胺溶于酸性水溶液中，搅拌一段时间，使其质子化，然后离心、干燥，之后在高温下煅烧，得到g-C3N4。将g-C3N4先分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，经过超声、过滤、洗涤，再分散于水中，紧接着把g-C3N4的水相分散液加入到一定浓度的氧化石墨烯水溶液中，混合均匀后，转移到反应釜中，于一定温度下溶剂热反应一定时间，然后过滤、洗涤、冷冻干燥收集，得到三维多孔结构的氮化碳/石墨烯负极材料。
其中，用于溶解三聚氰胺的酸性水溶液pH值为1～3；煅烧温度为500～600℃，时间为2～6h；g-C3N4在N,N-二甲基甲酰胺分散溶液中超声的条件为：250W的功率下超声0.5～4h；g-C3N4水相分散液浓度0.5～5mg/mL；g-C3N4与氧化石墨烯的质量比是1:(12～15)，溶剂热反应具体为在180℃的温度下反应5h；
(3)电极的制备
将正极材料、负极材料分别与导电炭黑、聚偏氟乙烯，按质量比7:2:1混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮作溶剂，然后将其涂覆在泡沫镍上，在80℃下真空干12h，即分别得到正负极。
(4)制备水系非对称电容器
以碱性水溶液作为电解液，将正、负极和隔膜组装成基于氮化碳/石墨烯/二硫化镍与氮化碳/石墨烯的超级电容器，其中，正极中正极材料和负极中负极材料的质量比为1:(3～5)。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
氮化碳/石墨烯/二硫化镍材料的制备与表征：将0.5mmol纤维素粉分散在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，加入5mmol的丁二酸酐，80℃搅拌反应一段时间后，然后滴加40mL 2mg/mL石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液，室温下搅拌一段时间后，过滤、洗涤再分散到水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液。将1g三聚氰胺溶于pH为1的酸性水溶液中，搅拌30分钟后，加入20mg分散于水中的改性纤维素修饰的石墨烯，搅拌均匀后、干燥，之后在550℃高温煅烧4h，即得到g-C3N4/石墨烯复合材料。取30mg的g-C3N4/石墨烯先在N,N-二甲基甲酰胺溶液中250W的功率下超声2h,然后过滤、洗涤，再分散于15mL水溶液中，紧接着将15mL的0.6mmol硝酸镍和3mmol硫脲的乙二醇溶液滴加到上述溶液中，搅拌30分钟后，把溶液转移至50mL聚四氟乙烯反应釜中，在160℃反应14h。反应结束后，待自然冷却至室温，离心、洗涤、干燥，得到所述的氮化碳/石墨烯/二硫化镍复合材料。
氮化碳/石墨烯材料的制备：将1g三聚氰胺溶于pH为1的酸性水溶液中，搅拌30分钟后，在550℃温度下煅烧4h,获得g-C3N4。取10mg g-C3N4先在N,N-二甲基甲酰胺溶液中250W的功率下超声2h，过滤，洗涤后，再分散于10mL水溶液，然后将其加入到120mg氧化石墨烯的水溶液中，混合均匀后置于反应釜中，180℃反应5h，通过分离、洗涤、冷冻干燥，即得到氮化碳/石墨烯复合材料。
将所制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍、氮化碳/石墨烯材料与导电炭黑、聚偏氟乙烯，按质量比7:2:1混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮作溶剂，然后将其涂覆在泡沫镍上，在80℃下真空干12h，即分别得到正负极。将正负极且含有正负极材料的质量比为1：4.32、电解液和隔膜进行组装，得到水系非对称超级电容器。
对上述制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍电极材料在2M的KOH溶液中测试电容性能，质量比电容为2700F/g。
图1为本发明的g-C3N4/石墨烯的TEM图，从图中看出g-C3N4均匀的多孔结构，也能看到多孔结构g-C3N4与石墨烯很好的复合在一起。
图2为本发明的氮化碳/石墨烯/二硫化镍的图，结果证实了生长在g-C3N4/石墨烯表面的物质为NiS2。
如图3所示，该水系非对称电容器有较宽的电压窗口，工作电压可达1.6V。
图4对组装后电容器的能量-功率密度图进行测试，当能量密度为56Wh kg-1时，功率密度为800W kg-1,当能量密度为27Wh kg-1时，功率密度为16000W kg-1，显示了多孔氮化碳/石墨烯/二硫化镍和氮化碳/石墨烯组装的水系非对称超级电容器，具备高功率密度和能量密度。
如图5所示，循环10000圈之后，容量衰减几乎为零，显示了电容器优良的循环稳定性。
实施例2
氮化碳/石墨烯/二硫化镍材料的制备：将0.5mmol纤维素粉分散在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，加入4mmol的柠檬酸，80℃搅拌反应一段时间后，然后滴加80mL 0.5mg/mL石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液，室温下搅拌一段时间后，过滤、洗涤再分散水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液。将0.2g三聚氰胺溶于pH为2的酸性溶液中，搅拌30分钟后，加入20mg分散于水中的改性纤维素修饰的石墨烯，搅拌均匀后、干燥，之后在500℃高温煅烧6h，即得到g-C3N4/石墨烯复合材料。将15mg g-C3N4/石墨烯先在N,N-二甲基甲酰胺溶液中250W的功率下超声4h,然后过滤、洗涤，再分散于30mL水中,紧接着与0.6mmol硝酸镍和3mmol硫脲的乙二醇溶液混合均匀，形成的混合液转移至50mL聚四氟乙烯反应釜中，在170℃反应12h。反应结束后，待自然冷却至室温，离心分离、洗涤、干燥，得到所述的氮化碳/石墨烯/二硫化镍复合材料。
氮化碳/石墨烯材料的制备：将1g三聚氰胺溶于pH为1的酸性溶液中，然后离心、干燥，之后在500℃温度下煅烧6h，获得g-C3N4纳米片。取10mg g-C3N4先在N,N-二甲基甲酰胺溶液中超声4h,过滤，洗涤后，再分散于20mL水溶液，然后将其加入到150mg氧化石墨烯的水溶液中，混合均匀后置于反应釜中，180℃反应5h，通过分离、洗涤、冷冻干燥，即得到氮化碳/石墨烯复合材料。
将所制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍、氮化碳/石墨烯材料与导电炭黑、聚偏氟乙烯，按质量比7:2:1混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮作溶剂，然后将其涂覆在泡沫镍上，在80℃下真空干燥12h，即分别得到正负极。将正负极且含有正负极材料的质量比为1：5、电解液和隔膜进行组装，得到水系非对称超级电容器。对上述制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍电极材料在2M的KOH溶液中测电容性能，质量比电容为1950F/g。
对上述制备的水系非对称超级电容器的性能测试，当能量密度为50Wh kg-1时，功率密度为750W kg-1,当能量密度为21Wh kg-1时，功率密度为8000W kg-1。
实施例3
氮化碳/石墨烯/二硫化镍材料的制备：将0.5mmol纤维素粉分散在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，加入1mmol的巯基乙酸，80℃搅拌反应一段时间后，然后滴加12mL 2mg/mL的石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液，室温下搅拌一段时间后，过滤、洗涤再分散水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液。将2g三聚氰胺溶于pH为3的酸性溶液中，搅拌30分钟后，加入20mg分散于水中的改性纤维素修饰的石墨烯，搅拌均匀后、干燥，之后在580℃高温煅烧3h，即得到g-C3N4/石墨烯复合材料。取40mg g-C3N4/石墨烯先在N,N-二甲基甲酰胺250W的功率下超声0.5h，然后过滤、洗涤，再分散于8mL水中,紧接着与0.6mmol硝酸镍和3mmol硫脲的乙二醇溶液混合，把形成的混合溶液转移至50mL聚四氟乙烯反应釜中，在180℃反应10h。反应结束后，待自然冷却至室温，离心、洗涤、干燥，得到所述的氮化碳/石墨烯/二硫化镍复合材料。
氮化碳/石墨烯材料的制备：将1g三聚氰胺溶于pH为3的酸性溶液中，然后离心、干燥，之后在580℃温度下煅烧3h，获得g-C3N4纳米片。取10mg g-C3N4先在N,N-二甲基甲酰胺溶液中250W的功率下超声2h,过滤，洗涤后，再分散于20mL的水溶液，然后将其加入到140mg氧化石墨烯的水溶液中，混合均匀后置于反应釜中，180℃反应5h，通过分离、洗涤、冷冻干燥，即得到氮化碳/石墨烯复合材料。
将所制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍、氮化碳/石墨烯的材料与导电炭黑、聚偏氟乙烯，按质量比7:2:1混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮作溶剂，然后将其涂覆在泡沫镍上，在80℃下真空干燥12h，即分别得到正负极。将正负极且含有正负极材料的质量比为1：3.25、电解液和隔膜进行组装，得到水系非对称超级电容器。
对上述制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍电极材料在2M的KOH溶液中测电容性能，质量比电容为1610F/g。
对上述制备的水系非对称超级电容器的性能测试，当能量密度为37Wh kg-1时，功率密度为775W kg-1,当能量密度为21Wh kg-1时，功率密度为7787W kg-1。
实施例4
氮化碳/石墨烯/二硫化镍材料的制备：将0.12mmol纤维素粉分散在N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，加入2.4mmol的谷氨酸，80℃搅拌反应一段时间后，然后滴加20mL 4mg/mL的石墨烯的N,N-二甲基甲酰胺分散液，室温下搅拌一段时间后，过滤、洗涤再分散水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液。将2g三聚氰胺溶于pH为2的酸性溶液中，搅拌30分钟后，加入20mg分散于水中的改性纤维素修饰的石墨烯，搅拌均匀后、干燥，之后在600℃高温煅烧2h，即得到g-C3N4/石墨烯复合材料。取60mg g-C3N4/石墨烯在N,N-二甲基甲酰胺溶液中250W的功率下超声0.5h，然后过滤、洗涤，再分散于12mL水中,紧接着与0.6mmol硝酸镍和3mmol硫脲的乙二醇溶液混合，把形成的混合溶液转移至50mL聚四氟乙烯反应釜中，在150℃反应20h。反应结束后，待自然冷却至室温，离心、洗涤、干燥，得到所述的氮化碳/石墨烯/二硫化镍复合材料。
氮化碳/石墨烯材料的制备：将1g三聚氰胺溶于pH为2的酸性溶液中，然后离心、干燥，之后在600℃温度下煅烧2h，获得g-C3N4纳米片。取10mg g-C3N4在N,N-二甲基甲酰胺溶液中250W的功率下中超声0.5h,过滤，洗涤后，再分散于2mL水溶液中，然后将其加入到130mg氧化石墨烯的水溶液中，混合均匀后置于反应釜中，180℃反应5h，通过分离、洗涤、冷冻干燥，即得到氮化碳/石墨烯复合材料。
将所制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍、氮化碳/石墨烯的材料与导电炭黑、聚偏氟乙烯，按质量比7:2:1混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮作溶剂，然后将其涂覆在泡沫镍上，在80℃下真空干燥12h，即分别得到正负极。将正负极且含有正负极材料的质量比为1：3、电解液和隔膜进行组装，得到水系非对称超级电容器。
对上述制备的氮化碳/石墨烯/二硫化镍电极材料在2M的KOH溶液中测电容性能，质量比电容为1300F/g。对上述制备的水系非对称超级电容器的性能测试，当能量密度为35Wh kg-1时，功率密度为750W kg-1,当能量密度为20Wh kg-1时，功率密度为7500W kg-1。
本实施例中的谷氨酸也可采用甘氨酸。
上述参照实施例对氮化碳/石墨烯/二硫化镍为正极材料和氮化碳/石墨烯为负极材料的制备方法及作为超级电容器电极材料的应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，该超级电容器为水系非对称超级电容器，所述的水系非对称超级电容器采用多孔层状的氮化碳/石墨烯/二硫化镍为正极材料，多孔结构的氮化碳/石墨烯为负极材料，具体制备步骤如下：
（1）正极材料氮化碳/石墨烯/二硫化镍的制备
将纤维素粉分散在N, N-二甲基乙酰胺溶剂中，在加热、搅拌条件下，与有机小分子进行反应，得到改性纤维素分散溶液，其中，有机小分子为丁二酸酐、柠檬酸、甘氨酸、谷氨酸和巯基乙酸中的一种，然后向改性纤维素溶液中滴加石墨烯的N, N-二甲基甲酰胺分散液，搅拌均匀后通过离心、分离、洗涤再分散于水中，得到改性纤维素修饰的石墨烯水溶液；将改性纤维素修饰的石墨烯水溶液加入溶解有三聚氰胺的酸性水溶液中，混合均匀并结合后，离心、干燥，将产物进行煅烧，冷却后得到自组装多孔层状的g-C3N4/石墨烯；将g-C3N4/石墨烯在N, N-二甲基甲酰胺溶液中超声，然后过滤、洗涤，再分散于水中得到g-C3N4/石墨烯的水相分散液，紧接着将g-C3N4/石墨烯的水相分散液与硝酸镍和硫脲的乙二醇溶液混合均匀，将形成的混合液在恒温条件下进行溶剂热反应，反应结束后通过抽滤、洗涤收集产物，然后干燥，得到多孔层状结构的氮化碳/石墨烯/二硫化镍正极材料；
（2）负极材料氮化碳/石墨烯的制备
将三聚氰胺溶于酸性水溶液中，然后离心、干燥，之后进行高温煅烧得到多孔结构的g-C3N4；将所得g-C3N4在N, N-二甲基甲酰胺溶液中超声，然后过滤、洗涤，再分散于水中，紧接着把g-C3N4的水相分散液加入到氧化石墨烯水溶液中，混合均匀后，进行溶剂热反应；反应结束后，通过过滤、洗涤、冷冻干燥收集产物，得到多孔结构的氮化碳/石墨烯负极材料；
（3）电极的制备
将正极材料和负极材料分别与导电炭黑和聚偏氟乙烯混合均匀，滴加N-甲基吡咯烷酮作溶剂，搅拌均匀后将其涂覆在泡沫镍上，通过真空干燥，即分别得到正极和负极；
（4）制备水系非对称电容器
以碱性水溶液作为电解液，将正极、负极和隔膜组装成基于氮化碳/石墨烯/二硫化镍与氮化碳/石墨烯的水系非对称超级电容器。
2.根据权利要求1所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中有机小分子与纤维素粉的摩尔量比为1:(0.05~0.5)；
步骤（1）中改性纤维素与石墨烯的质量比为1:(0.3~4)；
步骤（1）石墨烯的N, N-二甲基甲酰胺分散液中石墨烯的浓度为0.2~4mg/mL。
3.根据权利要求1所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中用于溶解三聚氰胺的酸性水溶液的pH值为1~3；
步骤（1）中将改性纤维素修饰的石墨烯水溶液加入溶解有三聚氰胺的酸性水溶液中的方式为逐滴滴加，且改性纤维素修饰的石墨烯与三聚氰胺的质量比为1:(10~100)。
4.根据权利要求1所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中煅烧温度为500~600 °C，时间为2~6h；
步骤（1）中g-C3N4/石墨烯先分散在N, N-二甲基甲酰胺溶液超声功率为250 W，时间为0.5~4h；
步骤（1）中g-C3N4/石墨烯的水相分散液浓度为0.5~5mg/mL；
步骤（1）中g-C3N4/石墨烯、硝酸镍和硫脲之间比例为（15~60）mg：0.6 mmol：3 mmol；
步骤（1）中溶剂热反应的温度为150~180ºC，时间为10~20h。
5.根据权利要求1所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中用于溶解三聚氰胺的酸性水溶液的pH值为1~3；
步骤（2）中高温煅烧温度为500~600℃，时间为2~6h；
步骤（2）中g-C3N4在N, N-二甲基甲酰胺溶液超声的功率为250 W，时间为0.5~4h。
6.根据权利要求1所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中g-C3N4的水相分散液浓度为0.5~5mg/mL；
步骤（2）中g-C3N4与氧化石墨烯的质量比为1: (12~15)，溶剂热反应具体为在180ºC的温度下反应5h。
7.根据权利要求1所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中正极材料与导电炭黑和聚偏氟乙烯之间的质量比以及负极材料与导电炭黑和聚偏氟乙烯之间的质量比均为7:2:1；
步骤（4）正极中正极材料和负极中负极材料之间的质量比为1:(3~5)。
8.具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器的制备方法制得。
9.根据权利要求8所述的具多孔氮化碳夹层材料构型的高能超级电容器，其特征在于，当能量密度为56Wh kg-1时，功率密度为800W kg-1，当能量密度为27Wh kg-1时，功率密度为16000 W kg-1。
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| CN106111175A (zh) * | 2016-06-20 | 2016-11-16 | 江苏大学 | 一种三元复合半导体材料的制备方法 |
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