CN114843111A - 一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提出的一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用，由碳纳米材料与经炭化处理的多孔炭组成，碳纳米材料的质量分数为30‑90％，多级结构碳纳米复合材料的比表面积为300‑2500m2/g，其导电率为40‑600S/cm，其堆积密度为0.2‑0.5mg/L。本发明还公开了采用高粘度有机液体为粘结剂与碳纳米材料混合，后以热处理方式制备该复合材料的方法，该复合材料具有孔结构丰富、比表面积高，且孔径分布和比表面积可大范围调控，堆积密度高，能量密度高，功率密度高等优点，可用于处理宽浓度范围非极性有机物废水废气，也可用于1‑4V超级电容器的电极材料。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域与环保及电化学储能领域，尤其涉及一种新型多级结构碳纳米吸附剂及其制备方法与应用。
背景技术
碳纳米材料，例如碳纳米管与石墨烯等，因其具有大的外凸比表面积、高介孔率、良好的化学稳定性，并且sp2杂化构成的π-π键使其表面呈非极性，使之成为一种性能优异的新型材料。上述特性使得碳纳米材料可以吸附气体或者液体中的非极性有机物，并且具备脱附快、使用寿命长的优势，从而显示出比传统活性炭吸附材料更好的性能。目前已有研究利用碳纳米材料与粘结剂构成成型吸附剂，用于处理流体中低浓度非极性有机物。另外，碳纳米管与石墨烯也是优良的超级电容器电极材料之一，具有导电性好，可逆吸附-脱附，基于材料的电容容量大，功率性能优异等优点。
然而，由于传统的粘结剂本身不具备吸附性能，碳纳米材料与传统的粘结剂构成成型吸附剂中的有效物质(碳纳米材料)质量占比下降，使得单位体积或质量成型吸附剂的性能被降低，应用场景也被限制在低浓度流体范围；在碳纳米管与石墨烯应用于超级电容器电极材料时，由于其堆积密度小，在极片加工时，不易获得高的压实密度，导致器件的能量密度受限。而现有技术还未提出解决该问题的方法。
可见，如何使碳纳米材料对于不同的应用场景都具有介孔优化空间，以及提升碳纳米材料的堆积密度，是亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用，通过将粘结剂替换为通过加工可获得的多孔炭，使得该复合材料具有介孔优化空间，以及在超级电容器领域具有较大的堆积密度。
为了实现上述目的，本申请采用的具体技术方案是：
第一方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料，所述多级结构碳纳米复合材料由碳纳米材料与经炭化处理的多孔炭组成，比表面积为300-2500m2/g，导电率为40-600S/cm，堆积密度为0.2-0.5mg/L，所述碳纳米材料的质量分数为30-90％。
可选的，所述碳纳米材料为碳纳米管与石墨烯中的一种或多种：
所述碳纳米管为单壁或多壁，比表面积为200-1300m2/g；
所述石墨烯为单层或多层，比表面积为200-2630m2/g。
第二方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
采用高粘度有机液体为粘结剂与所述碳纳米材料混合得到复合物；
将所述复合物通过机械成型形成条状或粒状产品；
将所述条状或粒状产品以热处理方式经过炭化过程与活化过程，生成所述多孔炭，获得所述多级结构碳纳米复合材料。
可选的，所述方法包括如下特征：
所述碳纳米材料与所述高粘度有机液体质量比为1:10～10:1；
将所述碳纳米材料与所述高粘度有机液体在20-100℃下混合0.1-3小时。
可选的，所述方法包括如下特征：
所述高粘度有机液体包括：沥青、柴油、焦油中的一种或多种。
可选的，所述方法包括如下特征：
将所述反应复合物加入到成型机器中，在20-150℃下定型，制得所述条状或粒状产品；
其中，所述条状产品直径为1-5mm；所述粒状产品直径为0.1-10μm。
可选的，所述方法包括如下特征：
将所述条状或粒状产品置于反应器中，通入氩气或者氮气中的一种或多种，在300-1000℃，0.1-2MPa下处理0.5-10小时。
可选的，所述方法包括如下特征：
向反应器中通入二氧化碳、水蒸气、氢气、空气或氧气中的一种或多种，在600-1000℃，0.1-2MPa下处理0.5-8小时，降至室温。
第三方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料用于吸附流体中非极性有机物的用途。
可选的，所述用途包含如下特征：
所述流体为有机废水或废气，所述非极性有机物的含量为4ppm-10万ppm；在25-100℃下0.1-5小时内通过装有所述多级结构碳纳米复合材料的床层，吸附后所述非极性有机物的含量降低至3-100ppm以下。
第四方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料用于超级电容器的电极材料的用途。
可选的，所述用途包含如下特征：
在1-4V电解液中，所述电极材料的比容量为160-300F/g，所述电极材料基于材料的能量密度为90-120Wh/kg，所述电极材料基于材料的功率密度为5-50Wh/kg。
相较于相关技术，本申请所提供的一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用至少具有以下优点：
本申请提供的一种多级结构碳纳米复合材料，其中碳纳米材料与经热处理得到的多孔炭复合，其比表面积达到300-2500m2/g，导电率达到40-600S/cm，堆积密度达到0.2-0.5mg/L，多孔炭的孔径分布和比表面积大范围可调，使该多级结构碳纳米复合材料表现出在不同应用场景下的介孔优化空间，可用于处理宽浓度范围的非极性有机物废水废气。同时由于其表现出的堆积密度大，使该多级结构碳纳米复合材料可作为电极材料用于超级电容器领域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种多级结构碳纳米复合材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或者条件，按照本领域内的现有技术所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
为了最大限度提升碳纳米复合材料的吸附性能和电化学性能，使碳纳米复合材料对于不同的应用场景都具有介孔优化空间，以及在超级电容器领域表现出较大的堆积密度，本申请提出的技术构思是：通过使用高粘度有机液体代替传统的粘结剂，以热处理方式经过炭化过程和活化过程，形成多孔结构，从而获得多孔炭与碳纳米材料的复合材料，解决常规碳纳米复合材料作为吸附剂有效物质(碳纳米材料)质量占比下降、作为电极材料堆积密度小的问题，使碳纳米复合材料具有对于不同的应用场景都具有介孔优化空间，以及提升碳纳米材料的堆积密度的性能。
基于上述技术构思，本申请实施例提供了一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用。
第一方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料，该碳纳米复合材料由碳纳米材料与经炭化处理的多孔炭组成，其中碳纳米材料的质量分数为30-90％，碳纳米复合材料的比表面积为300-2500m2/g，导电率为40-600S/cm，堆积密度为0.2-0.5mg/L。
具体实施时，一方面，由于常规碳纳米复合材料中的粘结剂通常选择本身不具备吸附性能的原料，如植物类、煤类、塑料类等，会导致所构成的成型吸附剂中的有效物质(碳纳米材料)质量占比下降至30％以下，表现出的吸附性能较差；另一方面，碳纳米材料(碳纳米管和石墨烯)在应用于超级电容器领域用作电极材料时，由于碳纳米材料单位体积的孔容大而质量小，因此表现出的堆积密度小，在极片加工时，不易获得高的压实密度，导致器件的能量密度受限。鉴于此，本申请提供的多级结构碳纳米复合材料，由热处理方式可获得的多孔炭，替换传统不具吸附性能的粘结剂，使得复合材料的有效吸附成分质量占比上升；与此同时，多级结构纳米复合材料中多孔炭组分密度增大，导致复合材料的堆积密度变大，使该多级结构碳纳米复合材料具有对于不同的应用场景都具有介孔优化空间，以及提升碳纳米材料的堆积密度的性能。
在一些实施方式中，碳纳米材料包括碳纳米管与石墨烯中的一种或多种。
在一些实施方式中，碳纳米管包括单壁或多壁，比表面积为200-1300m2/g。
在一些实施方式中，石墨烯包括单层或多层，比表面积为200-2630m2/g。
第二方面，本申请提供了一种上述第一方面提供的多级结构碳纳米复合材料的制备方法，该多级结构碳纳米复合材料包括如下步骤：
S11、采用高粘度有机液体为粘结剂与所述碳纳米材料混合得到复合物；
S12、将所述复合物通过机械成型形成条状或粒状产品；
S13、将所述条状或粒状产品以热处理方式经过炭化过程与活化过程，生成所述多孔炭，获得所述多级结构碳纳米复合材料。
具体实施时，本申请将碳纳米材料与高粘度有机液体按预设质量比例在一定温度下混合一定时间得到复合物，将所述复合物加入到成型机器中，值得条状或粒状产品；将所得成型产品置于反应器中进行炭化，通入非氧化性气体介质，将原料加热，预先除去其中的挥发成分，在高温条件下，有机物中所含的氢、氧等元素组成被分解，碳原子不断环法、芳构化，使氢氧氮等原子不断减少，炭不断富集，最后成为富炭或纯炭物质；继续活化过程，通入氧化性气体介质，在高温条件下，利用气体介质对原料进行活化成孔，并提高孔容积和比表面积，形成多孔炭结构。在整个炭化过程和活化过程中，碳纳米材料不参与反应，结构不会发生变化。
在一些实施方式中，高粘度有机液体包括沥青、柴油、焦油中的一种或多种。
在一些实施方式中，碳纳米材料与高粘度有机液体质量比为1:10～10:1。
在一些实施方式中，混合温度为20-100℃。
在一些实施方式中，混合时间为0.1-3小时。
在一些实施方式中，成型温度为20-150℃。
在一些实施方式中，条状产品直径为1-5mm；所述粒状产品直径为0.1-10μm。
在一些实施方式中，炭化过程通入的非氧化气体介质为氩气或者氮气中的一种或多种。
在一些实施方式中，炭化过程温度为300-1000℃。
在一些实施方式中，炭化过程压强为0.1-2Mpa。
在一些实施方式中，炭化过程时间为0.5-10小时。
在一些实施方式中，活化过程通入的氧化气体介质为二氧化碳、水蒸气、氢气、空气或氧气中的一种或多种。
在一些实施方式中，活化过程温度为600-1000℃。
在一些实施方式中，活化过程压强为0.1-2Mpa。
在一些实施方式中，活化过程时间为0.5-8小时。
第三方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料用于吸附流体中非极性有机物的用途，将上述第二方面提供的多级结构碳纳米复合材料的制备方法制得的上述第一方面的多级结构碳纳米复合材料应用于吸附流体中非极性有机物。
具体实施时，在预设温度下预设时间内将含有非极性有机物的流体通过装有该多级结构碳纳米复合材料的床层，吸附后非极性有机物含量降低。
在一些实施方式中，流体为有机废水或废气。
在一些实施方式中，吸附前流体所含非极性有机物的含量为4ppm-10万ppm。
在一些实施方式中，吸附温度为25-100℃。
在一些实施方式中，吸附时间为0.1-5小时。
在一些实施方式中，吸附后流体所含非极性有机物的含量为3-100ppm以下。
第四方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料用于超级电容器的电极材料的用途，将上述第二方面提供的多级结构碳纳米复合材料的制备方法制得的上述第一方面的多级结构碳纳米复合材料应用于超级电容器的电极材料。
具体实施时，在电解液中，测得电极材料的比容量、基于材料的能量密度和功率密度。
在一些实施方式中，超级电容器的操作电压为1-4V。
在一些实施方式中，比容量为160-300F/g。
在一些实施方式中，基于材料能量密度为90-120Wh/kg。
在一些实施方式中，基于材料的功率密度为5-50Wh/kg。
为使本领域技术人员更加清楚地理解本申请，现通过以下实施例对本申请所述的碳负极材料的制备方法进行详细说明。
实施例1
多级结构碳纳米复合材料为碳纳米管与经炭化处理的多孔炭组成。选用的碳纳米管为多壁，比表面积为200m2/g。多壁碳纳米管在多级结构碳纳米复合材料中的质量分数为30％，多级结构碳纳米复合材料的比表面积为300m2/g，导电率为40S/cm，堆积密度为0.5mg/L。
多级结构碳纳米复合材料的制备方法为：
S11、将碳纳米管与沥青(质量比为1:10)，在100℃下混合3小时，得到复合物；
S12、将所得复合物加入到成型机器中，在20℃下成型，制得直径为5mm的条状产品；
S13、将所得条状产品置于反应器内，通氮气，在1000℃，2MPa下炭化处理0.5小时；继续通入二氧化碳，在600℃，2MPa下活化处理0.5小时，降至室温，得到多级结构碳纳米复合材料。
所得多级结构碳纳米复合材料的性能，可以处理有机废水(非极性有机物含量为10万ppm)，在100℃下5小时通过装有该复合材料的床层，吸附后非极性有机物的含量降低至100ppm以下。
实施例2
多级结构碳纳米复合材料为碳纳米管与经炭化处理的多孔炭组成。选用的碳纳米管为单壁，比表面积为1300m2/g。单壁碳纳米管在多级结构碳纳米复合材料中的质量分数为90％，多级结构碳纳米复合材料的比表面积为2500m2/g，导电率为40S/cm，堆积密度为0.2mg/L。
多级结构碳纳米复合材料的制备方法为：
S11、将碳纳米管与柴油(质量比为10:1)，在20℃下混合0.1小时，得到复合物；
S12、将所得复合物加入到成型机器中，在150℃下成型，制得直径为1mm的条状产品；
S13、将所得条状产品置于反应器内，通氩气，在1000℃，0.1MPa下炭化处理10小时；继续通入水蒸气，在1000℃，0.1MPa下活化处理0.5小时，降至室温，得到多级结构碳纳米复合材料。
所得多级结构碳纳米复合材料的性能，可以处理有机废水(非极性有机物含量为4ppm)，在25℃下0.1小时通过装有该复合材料的床层，吸附后非极性有机物的含量降低至3ppm以下。
实施例3
多级结构碳纳米复合材料为石墨烯与经炭化处理的多孔炭组成。选用的石墨烯为多层，比表面积为200m2/g。多层石墨烯在多级结构碳纳米复合材料中的质量分数为90％，多级结构碳纳米复合材料的比表面积为300m2/g，导电率为600S/cm，堆积密度为0.3mg/L。
多级结构碳纳米复合材料的制备方法为：
S11、将石墨烯与焦油(质量比为5:1)，在100℃下混合3小时，得到复合物；
S12、将所得复合物加入到成型机器中，在20℃下成型，制得直径为0.1μm的粒状产品；
S13、将所得粒状产品置于反应器内，通氩气与氮气混合气，在300℃，2MPa下炭化处理0.5小时；继续通入空气与氧气混合气，在600℃，0.1MPa下活化处理8小时，降至室温，得到多级结构碳纳米复合材料。
所得多级结构碳纳米复合材料的性能，可以用于超级电容器的电极材料，在4V电解液中，比容量为300F/g，基于材料的能量密度为120Wh/kg，基于材料的功率密度为50kW/kg。
实施例4
多级结构碳纳米复合材料为石墨烯与经炭化处理的多孔炭组成。选用的石墨烯为单层，比表面积为2630m2/g。单层石墨烯在多级结构碳纳米复合材料中的质量分数为50％，多级结构碳纳米复合材料的比表面积为1000m2/g，导电率为100S/cm，堆积密度为0.4mg/L。
多级结构碳纳米复合材料的制备方法为：
S11、将石墨烯与焦油(质量比为5:1)，在100℃下混合3小时，得到复合物；
S12、将所得复合物加入到成型机器中，在20℃下成型，制得直径为10μm的粒状产品；
S13、将所得粒状产品置于反应器内，通氩气与氮气混合气，在300℃，2MPa下炭化处理0.5小时；继续通入氢气与二氧化碳混合气，在600℃，0.1MPa下活化处理8小时，降至室温，得到多级结构碳纳米复合材料。
所得多级结构碳纳米复合材料的性能，可以用于超级电容器的电极材料，在1V电解液中，比容量为160F/g，基于材料的能量密度为90Wh/kg，基于材料的功率密度为5kW/kg。
以上对本申请所提供的一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种多级结构碳纳米复合材料，其特征在于，包括：
由碳纳米材料与经炭化处理的多孔炭组成，比表面积为300-2500m2/g，导电率为40-600S/cm，堆积密度为0.2-0.5mg/L，所述碳纳米材料的质量分数为30-90％。
2.根据权利要求1所述的多级结构碳纳米复合材料，其特征在于，所述碳纳米材料为碳纳米管与石墨烯中的一种或多种；
所述碳纳米管为单壁或多壁，比表面积为200-1300m2/g；
所述石墨烯为单层或多层，比表面积为200-2630m2/g。
3.权利要求1或2所述的一种多级结构碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用高粘度有机液体为粘结剂与所述碳纳米材料混合得到复合物；
将所述复合物通过机械成型形成条状或粒状产品；
将所述条状或粒状产品以热处理方式经过炭化过程与活化过程，生成所述多孔炭，获得所述多级结构碳纳米复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用高粘度有机液体为粘结剂与所述碳纳米材料混合得到复合物，包括：
所述碳纳米材料与所述高粘度有机液体质量比为1:10～10:1；
将所述碳纳米材料与所述高粘度有机液体在20-100℃下混合0.1-3小时。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高粘度有机液体包括：沥青、柴油、焦油中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将所述复合物通过机械成型形成条状或粒状产品，包括：
将所述反应复合物加入到成型机器中，在20-150℃下定型，制得所述条状或粒状产品；
其中，所述条状产品直径为1-5mm；所述粒状产品直径为0.1-10μm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述炭化过程，包括：
将所述条状或粒状产品置于反应器中，通入氩气或者氮气中的一种或多种，在300-1000℃，0.1-2MPa下处理0.5-10小时。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述活化过程，包括：
向反应器中通入二氧化碳、水蒸气、氢气、空气或氧气中的一种或多种，在600-1000℃，0.1-2MPa下处理0.5-8小时，降至室温。
9.权利要求1或2所述的一种多级结构碳纳米复合材料用于吸附流体中非极性有机物的用途，其特征在于，包括：
所述流体为有机废水或废气，所述非极性有机物的含量为4ppm-10万ppm；在25-100℃下0.1-5小时内通过装有所述多级结构碳纳米复合材料的床层，吸附后所述非极性有机物的含量降低至3-100ppm以下。
10.权利要求1或2所述的一种多级结构碳纳米复合材料用于超级电容器的电极材料的用途，其特征在于，包括：
在1-4V电解液中，所述电极材料的比容量为160-300F/g，所述电极材料基于材料的能量密度为90-120Wh/kg，所述电极材料基于材料的功率密度为5-50Wh/kg。
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Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1557522A (zh) * | 2004-02-12 | 2004-12-29 | 上海大学 | 液流式电吸附脱盐装置的碳纳米管电极的制造方法 |
| CN104692357A (zh) * | 2015-02-15 | 2015-06-10 | 清华大学 | 一种碳纳米管/炭多级孔球形复合材料及其制备方法 |
| CN106115694A (zh) * | 2016-06-20 | 2016-11-16 | 山东欧铂新材料有限公司 | 一种复合型沥青基活性炭的制备方法以及超级电容器 |
| US20170062141A1 (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Aruna Zhamu | Porous Particles of Interconnected 3D Graphene as a Supercapacitor Electrode Active Material and Production Process |
| CN107256806A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-10-17 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种电极材料及超级电容器 |
| CN108063057A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-05-22 | 宁波中车新能源科技有限公司 | 一种复合多孔碳材料及其高功率超级电容器的制备方法 |
| CN108584942A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-09-28 | 西安理工大学 | 一种石墨烯泡沫炭复合材料的制备方法 |
| CN108862233A (zh) * | 2017-05-10 | 2018-11-23 | 济南圣泉集团股份有限公司 | 一种石墨烯复合多孔炭及其制备方法和应用 |
| CN109665523A (zh) * | 2017-10-16 | 2019-04-23 | 山东欧铂新材料有限公司 | 一种石墨烯复合石油焦基活性炭的制备方法及超级电容器 |
| CN110504431A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-26 | 青岛大学 | 一种二硫化钼/石墨烯/碳复合材料及其应用 |
| CN110627034A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-12-31 | 宁波中车新能源科技有限公司 | 一种双功能储能多孔炭包覆石墨复合材料的制备方法 |
| CN110639472A (zh) * | 2019-10-17 | 2020-01-03 | 哈尔滨商业大学 | 一种基于活性炭/纳米矿晶/石墨烯致密化复合吸附剂的制备方法 |
| CN113842878A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-28 | 中国科学院青海盐湖研究所 | 一种用于液体锂资源提取的碳基锂吸附电极的制备方法 |
| CN113952929A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-01-21 | 清华大学 | 成型活性炭及其制备方法和用途 |
-
2022
- 2022-05-17 CN CN202210534421.7A patent/CN114843111B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1557522A (zh) * | 2004-02-12 | 2004-12-29 | 上海大学 | 液流式电吸附脱盐装置的碳纳米管电极的制造方法 |
| CN104692357A (zh) * | 2015-02-15 | 2015-06-10 | 清华大学 | 一种碳纳米管/炭多级孔球形复合材料及其制备方法 |
| US20170062141A1 (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Aruna Zhamu | Porous Particles of Interconnected 3D Graphene as a Supercapacitor Electrode Active Material and Production Process |
| CN106115694A (zh) * | 2016-06-20 | 2016-11-16 | 山东欧铂新材料有限公司 | 一种复合型沥青基活性炭的制备方法以及超级电容器 |
| CN108862233A (zh) * | 2017-05-10 | 2018-11-23 | 济南圣泉集团股份有限公司 | 一种石墨烯复合多孔炭及其制备方法和应用 |
| CN107256806A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-10-17 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种电极材料及超级电容器 |
| CN109665523A (zh) * | 2017-10-16 | 2019-04-23 | 山东欧铂新材料有限公司 | 一种石墨烯复合石油焦基活性炭的制备方法及超级电容器 |
| CN108063057A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-05-22 | 宁波中车新能源科技有限公司 | 一种复合多孔碳材料及其高功率超级电容器的制备方法 |
| CN108584942A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-09-28 | 西安理工大学 | 一种石墨烯泡沫炭复合材料的制备方法 |
| CN110627034A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-12-31 | 宁波中车新能源科技有限公司 | 一种双功能储能多孔炭包覆石墨复合材料的制备方法 |
| CN110504431A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-26 | 青岛大学 | 一种二硫化钼/石墨烯/碳复合材料及其应用 |
| CN110639472A (zh) * | 2019-10-17 | 2020-01-03 | 哈尔滨商业大学 | 一种基于活性炭/纳米矿晶/石墨烯致密化复合吸附剂的制备方法 |
| CN113842878A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-28 | 中国科学院青海盐湖研究所 | 一种用于液体锂资源提取的碳基锂吸附电极的制备方法 |
| CN113952929A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-01-21 | 清华大学 | 成型活性炭及其制备方法和用途 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李雪芹;常琳;赵慎龙;郝昌龙;陆晨光;朱以华;唐智勇;: "基于碳材料的超级电容器电极材料的研究", 物理化学学报, no. 01 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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