[发明专利]一种三维活性石墨烯纳米片的制备方法

说明书

本发明公开了一种三维活性石墨烯纳米片的制备方法。所述制备方法包括S1.碳源的选择和前处理；S2.活化剂、三维结构模板及催化剂前驱体的选择；S3.前驱体混合处理；S4.掩盖热处理；S5.产品后处理。本发明采用广泛使用的多元醇型非离子表面活性剂作为石墨烯纳米片的碳源，很大程度上降低了材料的制备成本；采用廉价的碱金属氢氧化物同时作为活化剂、三维结构模板以及催化剂前驱体，从根本上简化了合成步骤和降低了材料的制备成本；采用掩盖热处理技术，在普通的马弗炉即可实施，适合大规模生产。本发明制备工艺简单，易于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种储能材料中石墨烯纳米片的制备方法与应用，尤其涉及一种三维活性石墨烯纳米片的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池和超级电容器是电化学能量储存装置的两种重要类别。前者通过电化学反应存储能量，可以表现出较高的能量密度；而后者通过双电层过程存储能量，可以提供更高的功率密度。超级电容器还具有免维护、寿命长等优点，已被广泛应用于许多便携式电子设备。在开发电动汽车用高能超级电容器、比电容高电极材料一直是长期的主要奋斗目标。活性炭是最普遍的一种超级电容器（双电层电容器）电极材料，具有多孔结构，低价格和可批量生产等优点。然而，传统活性炭的比表面积小，电导率低，化学稳定性不足，使其不能满足长周期、高可靠性和高能量密度的最新储能应用要求。

二维石墨烯材料凭借优异的物理化学特性已成为新一代的电化学储能电极材料。高暴露的表面活性位点和石墨烯、类石墨烯（如超薄碳纳米片）的独特电子结构，可以为锂离子电池和超级电容器提供高容量。三维石墨烯结构（由石墨烯纳米片相互连接而成的三维结构），以其独特的结构和形态在可持续能源存储中表现出诱人的应用前景。新型三维石墨烯结构在电化学系统中具有两个优点：（i）相连的石墨烯纳米片的网络结构可以防止石墨烯纳米片聚集，（ii）互联的大孔结构为电子传递和离子扩散提供有利的渠道。因此，三维石墨烯结构可以显著提高超级电容器的比电容。

鉴于三维石墨烯材料优异的性能和广阔的前景，探索合成三维石墨烯材料的高效合成方法，具有重要的科学意义和实用价值。当前，三维石墨烯材料的制备方法主要有两种：（1）以氧化石墨烯为前驱体通过水热还原和自组装过程得到相互关联的三维石墨烯结构；（2）以泡沫镍为三维模板和催化基底通过化学气相沉积和除模板过程得到自支撑的三维石墨烯结构。显然，上述多步制备过程操作繁琐且耗能较高，很难实现三维石墨烯材料的批量化生产。特别是，所用设备结构复杂且价格昂贵，对后续材料的开发带来了极大的难题。鉴于此，开发一种廉价、简单的制备方法对推动三维石墨烯材料的产业化将起到至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种三维活性石墨烯纳米片的制备方法，解决当前三维活性石墨烯纳米片制备方法所面临的步骤复杂、设备昂贵、操作繁琐、难批量生产等问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种三维活性石墨烯纳米片的制备方法，包括如下步骤：

S1.碳源的选择和前处理：选择多元醇型非离子表面活性剂为碳源，并用溶剂进行溶解和稀释；

S2.活化剂、三维结构模板及催化剂前驱体的选择：选择碱金属氢氧化物同时作为活化剂、三维结构模板及催化剂前驱体；

S3.前驱体混合处理：将步骤S1前处理后的非离子表面活性剂和步骤S2的碱金属氢氧化物进行高速搅拌混合和真空干燥；

S4.掩盖热处理：将步骤S3所得混合物放置于石墨坩埚中，调整样品体积以及样品上方的空气体积，盖上盖子，用木炭碳粉掩埋进行热处理；

S5.产品后处理：将步骤S4热处理后的产物进行收集、除杂、洗涤、过滤、干燥即得三维活性石墨烯纳米片。