[发明专利]一种石墨烯掺杂聚丙烯腈中孔活性碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯掺杂中孔活性碳纤维的制备方法，具体地说涉及一种超级电容器电极用石墨烯掺杂聚丙烯腈中孔活性碳纤维的制备方法。

背景技术

近年来有关超级电容器的应用研究成为一大热点。影响超级电容器性能的关键因素是超级电容器电极材料。目前超级电容器电极材料大多用高比表面积的活性碳，其作为电极材料需要用粘接剂粘接在基体上，这导致生产和组装效率低，电极内阻大，大功率输出时会大量发热，严重影响其功率性能。活性碳吸附层出现的松动、沟槽或挤压时过分密实等均会导致流体阻力增大，从而影响超级电容器正常操作；活性碳孔道复杂无序，电解液离子在这种孔道中的运动受到限制，极大地制约了其充放电速度。

活性碳纤维(ACF)是由有机纤维经预处理、碳化、活化而制成，ACF的孔径直接开口于表面，可以做成毡、布、纸等多种形态。由长纤维织成的活性碳纤维布强度较高，直接可以用作超级电容器的电极，不用粘结剂，这样电容器的内阻减小，电极材料的能量密度提高，制备工艺简化，因此ACF做超级电容器电极材料优于活性碳材料。中孔ACF具有相当数量的中孔。研究表明，中孔发达而且具有合适孔径分布的材料对形成超级电容器的双电层有利。因为水溶液体系电解液中的阳离子是由水分子包围而形成的水合离子，约在0.5～1nm范围内，在形成双电层时，合适孔径的中孔适合于水合离子形成双电层以及充放电过程中离子的自由移动，其静电容量可得到大幅提高。

石墨烯(Graphene，GE)是一种由sp²杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料。石墨烯具有稳定的晶格结构，这使得石墨烯具有优良的导电性。石墨烯具有高达2630m²/g的理论比表面积，将石墨烯分散后具有非常大的储能活性。石墨烯的导电性优良，化学稳定性很好，将石墨烯复合材料用做超级电容器电极材料，有望大幅度提高超级电容器的储能特性。

发明内容

本发明的目的在于开发一种具有较好电容性能的超级电容器电极材料用石墨烯掺杂聚丙烯腈基中孔活性碳纤维(PAN-ACF)及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯掺杂聚丙烯腈中孔活性碳纤维，其特征在于，包括聚丙烯腈中孔活性碳纤维主体，所述的聚丙烯腈中孔活性碳纤维主体中掺杂有石墨烯。

优选地，所得的聚丙烯腈中孔活性碳纤维主体中10～20nm的中孔率≥30％、总中孔率≥50％。

优选地，所述的石墨烯的含量为5％-20％。

优选地，所述的石墨烯掺杂聚丙烯腈中孔活性碳纤维的强度为0.4～1.0GPa。

本发明还提供了上述的石墨烯掺杂聚丙烯腈中孔活性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：将石墨烯加入溶剂中，加入有机化合物作为造孔剂，然后在50～80℃下搅拌3～24小时，得到含有石墨烯的溶液；将聚丙烯腈浆料与所述的含有石墨烯的溶液混合、搅拌，在50～80℃的恒温水浴中加热3～24小时，然后在恒温水浴中于30～40℃继续搅拌24～48小时，取出，在烘箱中于50℃～60℃进行脱泡处理，处理时间为24～48小时，得到石墨烯掺杂混合纺丝原液；

步骤2：将步骤1所得的石墨烯掺杂混合纺丝原液采用湿法纺丝工艺进行纺丝，得到石墨烯掺杂混合原丝；

步骤3：将步骤2所得的石墨烯掺杂混合原丝在催化扩孔剂溶液中浸渍5～24小时，在80～120℃烘干后放入活化炉中，在空气气氛中于200～300℃预氧化2～5小时，得到预氧化丝；在活化炉中通入惰性气体，将预氧化丝以升温速率5～10℃/分钟升温到750～850℃，当温度升至650℃-700℃时开始通入活化剂，在750～850℃恒温0.5-1小时，停止通入活化剂，然后以5～10℃/分钟的速率降温至200℃，停止通入惰性气体，随炉冷却后取出，用水或者溶剂洗涤，得到石墨烯掺杂聚丙烯腈中孔活性碳纤维。

优选地，所述的步骤1中的有机化合物能够与聚丙烯腈混溶，且分解温度比聚丙烯腈低。

优选地，所述的步骤1中的有机化合物为乙烯基吡啶、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、低温热解共聚聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铂和二茂铁中的至少一种。

优选地，所述的步骤1中的含有石墨烯的溶液中的有机化合物的浓度为15％～30％。

优选地，所述的步骤1中的溶剂为二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜和浓硫酸中的至少一种。