[发明专利]一种多孔石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，尤其涉及一种多孔石墨烯及其制备方法。

背景技术

随着信息化社会的不断扩大和环境及能源危机的出现，能源储存与转换效率问题越来越重要。在各种能源转换系统中，超级电容器由于具有充放电速度快、循环寿命长，相对安全、使用温度宽、环境友好和免维护等优良特性而被应用于备用电源、启动电源、脉冲电源、电网平衡等领域。根据储能机理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器主要依靠电极和电解液界面的双电层来存储电荷，利用电极材料巨大的比表面积通过物理过程储存电能，按电解质可以分为水系超级电容器和有机系双层超级电容器，其电极材料主要为高比表面积的碳材料。

活性炭具有很大的比表面积和丰富的内孔结构，可为双电层的形成提供巨大的表面积，因此是最早应用于超级电容器的一种电极材料，其尤其对水体系电解质而言，电解质离子直径较小，在微孔中扩散传质较容易进行，对活性炭表面也较易浸润，从而使材料表面积能得到充分利用。

但活性炭能量密度较低，只能应用在水体系电解质中，而在工作电压可达4V的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（EMIBF₄）离子液体类电解质中应用时，具有以下缺点：导电性较差，且大部分孔分布在颗粒的内部，大电流充放电下，离子在曲折的活性炭孔内扩散受阻，比容量迅速下降。同时活性炭表面具有部分含氧官能团，在高工作电压下含氧官能团会诱导电解液的分解。目前基于中孔活性炭的商用有机体系超级电容器能量密度仅有5～6Wh/kg，与锂离子电池的能量密度（约为150Wh/kg）相比仍有很大差距。

研究发现，石墨烯不仅具有巨大的理论比表面积，而且物理化学性质稳定，可在高工作电压和大电流快速充放电下保持良好的结构稳定性，同时也具有优异的导电性，可降低内阻，提高超级电容器的循环稳定性。

现有技术中公开了多种石墨烯的制备方法，其中Liu（Liu CG,Yasuda S,Yu ZN,et al.Nano Lett.2010,10:4863-4868）等公开了一种使用热还原法制备石墨烯的方法，其所制备的石墨烯比表面积约为500.6m²/g，在有机体系电解液中的比容量154.1F/g，基于活性物质的能量密度为85.6Wh/kg，其比表面积距理论比表面积仍有很大的差距，因此对于石墨烯的改性仍有很大空间。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多孔石墨烯及其制备方法，该多孔石墨烯具有中孔结构以及较高的比表面积，用于超级电容器电极材料时使超级电容器具有较好的大倍率充放电性能。

本发明提供了一种多孔石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

A）在氧化剂的作用下，石墨类物质和硫在溶剂中加热发生反应，得到多孔石墨烯；

所述石墨类物质为氧化石墨烯、石墨烯和纳米石墨微片中的一种或几种。

优选的，所述步骤A）具体为：

A1）将硫与有机溶剂混合，得到第一混合液；

A2）将石墨类物质浸渍在上述步骤A1）得到的第一混合液中，烘干后得到第一混合物；

A3）将上述第一混合物与氧化剂溶液混合后，加热发生反应，得到多孔石墨烯。

优选的，所述加热的温度为500～800℃。

优选的，所述有机溶剂为二硫化碳。

优选的，所述氧化剂为硝酸钾、硝酸钠、硝酸铵，氯酸铵、氯酸钾或氯酸钠。

优选的，所述石墨类物质、硫与氧化剂的质量比为1：（0.05～10）：（0.1～10）。

本发明提供了一种多孔石墨烯，其特征在于，具有中孔结构，所述中孔的孔径为10～20nm；所述多孔石墨烯的比表面积为1900～2600m²/g。

本发明提供了一种多孔石墨烯及其制备方法，本发明在氧化剂的作用下，将石墨类物质和硫在溶剂中加热发生反应，得到多孔石墨烯。本发明所制备的多孔石墨烯具有中孔结构，且具有较高的比表面积。与现有多孔石墨烯相比，按照本发明所述的方法制备的多孔石墨烯具有中孔结构，且具有较高的比表面积。用于超级电容器电极材料时，具有较好的大倍率充放电性能。实验结果表明，本发明所制备的多孔石墨烯孔径为10～20nm，比表面积约为1900～2600m²/g。使用本发明所制备的多孔石墨烯组装的纽扣式电容器，在4V的窗口电压下，5000次循环后比容量的保持率为94.5%～96%。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的多孔石墨烯的透射电子显微镜图；