[发明专利]一种制备超级电容器用多孔石墨烯材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种制备超级电容器用多孔石墨烯材料的方法。

背景技术

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、充放电速率快等优点，是一种一种新型储能元件。它主要由集流体负载多孔材料构成的电极、置于两个电极间的隔膜和电解液组成。煤沥青作为一种焦化副产品，具有廉价、易得、低灰和含碳量高等优点。煤沥青中含有大量的芳香环状碳氢分子，这种芳环中的碳杂化方式和石墨烯材料中以SP²杂化的碳的结构很相似，也就是说，煤沥青中芳香环状碳氢分子在某种程度上可以被认为是小石墨烯分子。因此，煤沥青是合成多孔石墨烯的重要碳源之一，从煤沥青直接合成高附加值的石墨烯，尤其是多孔的石墨烯，可以实现煤化工副产物煤沥青的高附加值利用。

在制备多孔材料过程中，碳源在一定温度下软化，将模板包裹起来，再经高温炭化后，去掉模板后即可制得与模板的空间结构相似的多孔材料，这种制备方法称为模板炭化法，包括有机物炭化和合成炭从模板释放两个过程。模板炭化法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。根据模板自身特点和限制颗粒生长能力的不同可分为硬模板和软模板。软模板法是利用无机或有机的聚合体在溶液中的特定构象起到的模板作用。硬模板主要是指结构相对刚性的模板，如纳米金属氧化物、多孔氧化硅、沸石分子筛等。软模板主要包括两亲分子形成的各种有序聚集体，如液晶、胶团、微乳液等。软模板法和硬模板法各有优点。

多孔石墨烯材料，兼具多孔材料和石墨烯材料的优点，作为超级电容器电极材料，其发达的孔结构不仅能提高其离子传导速率和能量密度，而且其高度石墨化的薄层也提高电子转移的速率，有效的提高了超级电容器的电化学性能。中国专利200910043229.2公开了一种储能多孔炭材料的制备方法。该方法以多孔二氧化硅为模板，中间相沥青为碳源，经高温炭化后，用氢氟酸除去二氧化硅模板得到比表面积最大为600m²/g，平均孔径为5.0nm的多孔炭材料。专利200710061504.4公开了一种窄孔径、石墨化度高的中孔炭的制备方法。该方法利用乙醇将酚醛树脂溶解分散后，加入碳酸钙模板在300℃条件下固化10h，再在惰性气氛下800℃炭化1h，酸洗除去模板得到比表面积为520m²/g，孔容为0.90cm³/g的普通多孔炭材料。论文“Easy synthesis of mesoporous carbon using nano-CaCO₃as template”(Carbon，48(2010)2377-2380)提出以蔗糖为碳源，碳酸钙为模板制备了比表面积介于448～900m²/g的普通中孔炭材料的方法。

文献检索结果表明，目前已有的方法主要以制备常规的多孔炭材料为主，其制备过程复杂，能耗较大，制备的普通多孔炭材料石墨化程度低，环境污染较大。现有方法中制备多孔石墨烯的报道很少。因此，亟待一种廉价、环保的方法以制备超级电容器用多孔石墨烯材料。多孔石墨烯作为超级电容器电极材料不仅能提高离子传输速率，而且，多孔石墨烯材料中较大的、较薄的导电网络能显著提高电子的传输速率，从而可以有效的提高超级电容器的性能。

发明内容

本发明针对现有多孔石墨烯材料直接制备技术中存在的不足，提出了一种工艺简单，成本低廉、适合工业化生产的制备超级电容器用多孔石墨烯的方法。

该方法具体步骤如下：

(1)反应物的预处理：取一定量的煤沥青放入研钵中，加入一定量的纳米碳酸钙混合均匀，再加入一定量的氢氧化钾，所得三者的混合物研磨1～2h直至混合均匀。其中，煤沥青的质量占混合物总质量的15.6％～25.9％，纳米碳酸钙的质量占混合物总质量的51.9％～62.2％。

(2)多孔石墨烯材料的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉瓷舟中，然后将所述刚玉瓷舟置于管式炉内，预先通入惰性气体(氮气或氩气)将所述管式炉内的空气排净，管式炉内气体的压力在常压或负压(–0.05MPa～–0.1Mpa)条件下以5℃/min的升温速率将管式炉加热至200℃，恒温0.5h，继续以5℃/min的升温速率将所述管式炉加热至750℃后，恒温1h，继续以5℃/min的升温速率将所述管式炉加热至950℃，恒温1h后自然降至室温，然后将得到的产物取出、磨碎后经酸洗、蒸馏水洗涤至中性，干燥后得到超级电容器用多孔石墨烯材料。