[01790761]一种超级电容器用微孔炭/石墨烯复合电极材料的制备方法

1、题来源与背景 课题来源于何孝军主持的国家自然科学基金项目。 煤沥青,又称煤焦油沥青。煤沥青具有含碳量高、原料丰富和价格低廉等优点。以煤沥青为原料,氢氧化钾为活化剂制备的微孔炭具有较高的比表面积和丰富的孔道结构。但是,微孔炭电极材料较差的导电性,降低了其速率性能。在微孔炭电极材料中加入少量的 石墨烯可以提高微孔炭 / 石墨烯电极材料的速率性能。但是,仅通过简单的物理混和制备的微孔炭/石墨烯电极材料,由于微孔炭和石墨烯之间存在较大的接触电阻,导致所得微孔炭/石墨烯电极材料的速率性能不理想。因此,亟需研发一种降低微孔炭/石墨烯复合电极材料内阻的新技术。文件检索结果表明,将煤沥青和氧化石墨二者同时作为碳源,直接制备微孔炭 / 石墨烯复合电极材料鲜有报道。 2、技术原理及性能指标 本专利主要利用煤沥青在被加热后具有软化熔融的特点,首先,将煤沥青、氧化石墨和固体氢氧化钾混合均匀后进行加热,在 150℃左右,软化熔融后的煤沥青将氧化石墨和氢氧化钾颗粒均匀的包裹起来,最后,在较高温度下,利用氢氧化钾对煤沥青和氧化石墨进行活化,直接合成微孔炭 / 石墨烯复合电极材料。所得微孔炭 / 石墨烯复合材料中,微孔炭和石墨烯之间是通过化学键稳定的结合在一起,提高了微孔炭 / 石墨烯复合电极材料的导电性,从而确保微孔炭 / 石墨烯复合电极材料具有很好的速率性能。 3、技术的创造性与先进性 采用氢氧化钾同时活化煤沥青和氧化石墨,碱与碳的质量比仅为 2/1,可有效降低活化剂的使用量,且该合成方法简单,进一步降低了微孔炭 / 石墨烯复合材料的制备成本;在 6M KOH 电解液中,在 50mA/g 电流密度下,本发明制备的微孔炭 / 石墨烯复合材料的比容可达 278F/g,在 20000mA/g 的电流密度下,比容保持率为 78.0％。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本发明属于炭材料制备技术领域,具体涉及一种超级电容器用微孔炭 / 石墨烯复合电极材料的制备方法。 本发明针对现有微孔炭基复合电极材料制备技术的不足,提出以煤沥青和氧化石墨为碳源,氢氧化钾为活化剂直接法制备超级电容器用微孔炭 / 石墨烯复合电极材料的方法,以达到简化制备工艺,降低生产成本,提高材料的容量和倍率性能的目的。 5、应用情况及存在的问题 实施例 微孔炭 / 石墨烯复合材料 MPC/G 11-1-24 的具体制备过程如下 ： （1） 反应物的预处理 ：取 0.5g 氧化石墨的粉体溶解于 100mL DMF（N, N- 二甲基甲 酰胺 ） 中,超声震荡 60min 后得到混合物 A ;再将 5.5g 煤沥青溶解于混合物 A 中,超声震荡60min得到混合物B ;将混合物B置于磁力搅拌器上加热搅拌直至液态的混合物B变为膏状固体,最后将膏状固体放入鼓风干燥箱中于 110℃鼓风干燥后得混合物 C ;称取 12g 氢氧化钾并研碎,将氢氧化钾与混合物 C 混合研磨得到反应物 D。 （2） 微孔炭 / 石墨烯复合材料的制备 ：把步骤 （1） 得到的反应物 D 放入刚玉瓷舟中,所述刚玉瓷舟放进管式炉内,以 60mL/min 的流量通入氮气 10min 将所述管式炉内的空气排净后,以 5℃ /min 的升温速率加热至 800℃,恒温 1h 后自然降至室温,最后将得到的产物取出、磨碎后放入烧杯中,经 2mol/L 盐酸洗涤后,再经蒸馏水洗涤至中性,于 110℃干燥24h 后,过 325 目筛,得到超级电容器用微孔炭 / 石墨烯复合材料。所得微孔炭 / 石墨烯复合材料标记为 MPC/G 11-1-24 。在 6M KOH 电解液中,在 50mA/g 电流密度下,MPC/G 11-1-24 电极的比容达 250F/g,MPC/G 11-1-24 超级电容器的能量密度达 8.69Wh/kg。 6、历年获奖情况; 7、成果简介要向社会公开,请不要填写商业秘密内容 我国是煤炭生产大国,蒽油是通过蒸馏煤焦油切取 280 ～ 360℃的馏分,蒽油的价格仅在 0.005 元 / 克左右。蒽油具有廉价、易得、低灰和富含多环芳香性结构单元等优点。目前,国内外对蒽油的加工主要是提取其中蒽、菲、咔唑三种组分。这三种组分在分离加工过程中极易形成一些双组分低共熔物和一系列固溶体,分离困难且分离过程能耗高、污染大。探索由廉价的蒽油直接制备高性能石墨烯材料的新方法,对生物医药、材料、冶金等行业具有重要意义,也可以实现蒽油的高附加值利用。 碳酸钙是地球外壳的天然矿物。与价格昂贵的纳米金属氧化物相比,碳酸钙具有取之不尽,用之不竭的优势。该工艺具有污染小、操作简单等优点。