CN112279237A - 一种硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法，包括如下步骤：以葡萄糖为碳源，硝酸锌为络合造孔剂，室温下，将不同量的硝酸锌和葡萄糖溶于去离子水中形成均匀混合溶液，之后通过焦糖化反应、碳化处理以及酸洗得到高比电容大孔薄层碳，是一种绿色环保、制备工艺简单地高比电容大孔薄层碳的制备方法。本发明属于新型碳材料制备技术领域，该方法制备的碳材料，作为超级电容器电极材料，具有较高比电容和较高比表面积，在国防科技和航空航天等领域具有重要的应用前景。

Description

一种硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法
技术领域
本发明提供了一种利用硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法，属于新型碳材料制备技术领域。
背景技术
简单地将碳材料进行碳化，可以得到具有一定孔结构的碳，但其缺点是孔结构不可调。相比传统的碳化处理，模板碳化化法优点是可以根据不同的要求来控制孔结构、石墨化程度和微观形态等。模板碳化包括两步，即无机物模板中纳米空间上的有机物的碳化和最终的碳化物从模板中分离，这种碳化工艺通过纳米空间的特别调节使其可能在纳米水平上控制碳材料结构。这种方法具有制备简单，成本低的显著优点，可以大规模应用于国防科技和航空航天等领域。
大孔薄层碳材料具备比表面积大，循环性能好，孔径均一、孔径分布集中等优点，广泛应用于电子通讯、电动汽车、军事等领域。然而现有技术中还未有关于将硝酸锌作为模板辅助高比电容薄层大孔碳的制备的报道。本发明提供了一种利用硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法，该方法制备的碳电极材料作为超级电容器时，具有较高比电容和较高比表面积，在国防科技和航空航天等领域具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法，可通过加入不同的量的硝酸锌辅助来达到调控碳材料的孔结构以及壁厚的目的，从而制备出高比电容大孔薄层碳。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案步骤如下：
（1）将硝酸锌与葡萄糖溶于去离子水中形成溶液Ⅰ。
上述试验方案（1）特征在于，溶液Ⅰ的形成需要1g葡萄糖和2.5g硝酸锌溶于10mL去离子水中。
（2）将溶液Ⅰ移至鼓风干燥箱中,经过焦糖化反应得到掺杂ZnO颗粒的“蜂窝状”前驱体。
上述试验方案（2）特征在于，掺杂ZnO颗粒的“蜂窝状”前驱体。在120℃的温度氛围下干燥12h发生焦糖化反应得到。
（3）将步骤2所制备的“蜂窝状”前驱体于管式炉中在N2氛围下升温到一定温度进行碳化退火处理之后再于2mol/L的盐酸中进行洗涤，得到大孔薄层碳材料。
上述试验方案（3）特征在于，“蜂窝状”前驱体经过碳化之后得到的碳材料主要是薄层大孔结构。
（4）将大孔薄层碳材料与PTFE（粘结剂）、炭黑（导电剂）混料后对辊压制成碳电极片，在电压范围-1-0V下测试电极片性能。
上述试验方案（4）特征在于，碳电极片由90wt%大孔薄层碳材料与5wt%PTFE（粘结剂）、5wt%炭黑（导电剂）组成。
相比其它工艺，本发明特点在于：
（1）本发明原料广泛，价格低廉，绿色环保且工艺简单；
（2）通过硝酸锌辅助来达到调节碳材料的孔结构以及壁厚，从而制备性能优良、高比电容的大孔薄层碳。碳材料的大孔结构增加了比表面积以及孔深，作为超级电容器的电极材料具有优异的电容性能；
（3）900℃下碳化的大孔薄层碳材料具有优异的电容性能。作为超级电容器的电容材料比电容达到235.5 F·g-1，是理想的超级电容器材料。
附图说明
图1是实施例1所制备的大孔薄层碳材料SEM扫描图。图2是实施例1所制备的碳电极片在电压范围-1-0V下的循环伏安测试曲线。a曲线为在20mv/s下测得的循环伏安测试曲线；b曲线为在30mv/s下测得的循环伏安测试曲线；c曲线为在40mv/s下测得的循环伏安测试曲线；d曲线为在50mv/s下测得的循环伏安测试曲线。图3是实施例1所制备的碳电极片在在电压范围-1-0V下的恒流充放电曲线。a曲线为在3A/g下测得的恒流充放电曲线；b曲线为在4A/g下测得的恒流充放电曲线；c曲线为在5A/g下测得的恒流充放电曲线；d曲线为在10A/g下测得的恒流充放电曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
取2.5g的硝酸锌和1g葡萄糖溶于10mL去离子水中，室温下搅拌10分钟，之后将混合溶液移入鼓风干燥箱中，在120°C的温度氛围下干燥12h，制备得到“蜂窝状”前驱体。将前驱体用管式炉进行碳化，在整个过程中恒速通入氮气，以5°C/min的升温速率从室温升至900℃，保温120min。冷却至室温后取出，即得到了掺杂有ZnO颗粒的大孔薄层碳材料，将掺杂有ZnO颗粒的大孔薄层碳材料进行酸洗得到大孔薄层碳材料。将5wt%PTFE（粘结剂）、5wt%炭黑（导电剂）、90wt%大孔薄层碳材料充分混合后，加酒精分析纯，超声十五分钟，放入鼓风干燥箱（70℃烘干酒精）将材料刮于称量纸上，垫一张称量纸压成薄片。将薄片裁成1×1cm，称量薄片质量小于2毫克置于泡沫镍上，用对辊机压成电极片。在电压范围-1-0V测其电化学性能（循环伏安测试在20mv/s、30mv/s、40mv/s、50mv/s扫描速率下，恒流充放电测试在3A/g、4A/g、5A/g、10A/g电流密度下）。
图1是本实施例所制备的大孔薄层碳材料SEM扫描图，图中可以看出，大孔结构增加了本实施例中碳材料的比表面积，同时形成的孔洞有利于电解液的浸润和离子间的传输，从而大大提高了材料的电化学性能。图2为本实施例所制备的碳电极片在电压范围-1-0V下的循环伏安测试曲线，图中可以看出，循环伏安测试曲线大致呈矩形，接近理想的双电层曲线，说明本实施例中所制备的碳电极片具有典型的双电层电容行为,不存在氧化还原峰，说明所制备的碳电极片具有良好的可逆性。图3为本实施例所制备的碳电极片在电压范围-1-0V下的恒流充放电曲线，图中可以看出，所有的恒流充放电曲线呈近似等腰三角形，说明本实施例中所制备的碳电极片具有良好的电容行为，随着电流密度增加本实施例中所制备的碳电极片充电时间越长，放电时间越长，比电容值越高，表现出一种优良的导电性以及电容行为。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本技术领域的普通技术人员应当了解，本发明不受实施例限制，还可以做出若干修改和润饰，这些修改和润饰也在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种利用硝酸锌辅助高比电容大孔薄层碳的制备方法其特征在于，包括如下步骤：
（1）将硝酸锌与葡萄糖溶于去离子水中形成溶液Ⅰ；
（2）将溶液Ⅰ移至鼓风干燥箱中,经过焦糖化反应得到掺杂ZnO颗粒的“蜂窝状”前驱体；
（3）将步骤2所制备的“蜂窝状”前驱体于管式炉中在N2氛围下升温到一定温度进行碳化退火处理之后再于2mol/L的盐酸中进行洗涤，得到大孔薄层碳材料；
（4）将大孔薄层碳材料与PTFE（粘结剂）、炭黑（导电剂）混料后对辊压制成碳电极片，在电压范围-1-0V下测试电极片性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，溶液Ⅰ的形成需要1g葡萄糖和2.5g硝酸锌溶于10mL去离子水中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，掺杂ZnO颗粒的“蜂窝状”前驱体，在120°C的温度氛围下干燥12h发生焦糖化反应得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，“蜂窝状”前驱体经过碳化之后得到的碳材料主要是薄层大孔结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，碳电极片由90wt%大孔薄层碳材料与5wt%PTFE（粘结剂）、5wt%炭黑（导电剂）组成。
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