[发明专利]石墨烯/碳化纳米纤维素复合碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯/碳化纳米纤维素复合碳材料及其制备方法和应用，具体制备步骤为：(1)将氧化石墨烯混入纳米纤维素水溶液中，经混合、除水、预热得到预处理的复合物；(2)将预处理的复合物在惰性气体保护下进行微波处理，即得到石墨烯/碳化纳米纤维素复合材料。与现有技术相比，本发明将氧化石墨烯混入纳米纤维素水溶液中，进行预处理后，采用微波加热，吸收微波产生局部的高温，引发纳米纤维素的碳化，碳化后的纳米纤维素电导率提升，能进一步吸收微波，从而引发未碳化的纳米纤维素继续碳化，从而完成全部低温碳化的过程，整个过程只需要2‑5s，避免高温耗时过程，降低成本，具有工业化的潜力。

技术领域

本发明涉及复合碳材料技术领域，具体涉及石墨烯/碳化纳米纤维素复合碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件。具有高功率密度、高能量密度、循环寿命长等优点，在移动通讯、信息技术、消费电子、航空航天等领域具有广阔的应用前景，并引起了世界各国的广泛关注。碳材料物理、化学性质较稳定，具较大的比表面积和较好的电导率，在储能领域有重要运用，是制备超级电容器电极的理想材料。但已有的碳材料制备方法复杂，能耗和成本高，且会对环境产生了一定程度危害，限制了其作为超级电容器电极材料的工业化应用。

纤维素因为来源丰富、绿色可再生、成本低廉而成为由生物材料制备多孔碳材料的重要前驱体。纤维素可以通过高温碳化的方法除去氧和氢等非碳元素，得到碳含量较高的碳材料，然后再经过石墨化处理，使碳原子排列有序化，得到高性能的碳材料，但要得到高电导率(100S/m)的碳材料需要1700℃的高温石墨化处理。因此需要一种方便快捷的低温碳化方法来提高碳化纤维素的性价比。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种低能耗的石墨烯/碳化纳米纤维素复合碳材料及其制备方法和应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种石墨烯/碳化纳米纤维素复合碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯混入纳米纤维素水溶液中，经混合、除水、预热得到预处理的复合物；

(2)将预处理的复合物在惰性气体保护下进行微波处理，即得到石墨烯/碳化纳米纤维素复合材料。

进一步地，步骤(1)所述的纳米纤维素在水溶液中的浓度为1-10mg/ml，所述的氧化石墨烯与纳米纤维素的质量比为1：5-20。

进一步地，步骤(1)采用超声和机械搅拌将氧化石墨烯均匀分散在纳米纤维素水溶液中。

进一步地，步骤(1)除水时采用聚碳酸酯滤膜抽滤，得到饼状的茶色水凝胶，再将水凝胶在40-60℃温度下干燥10-12h，将干燥后的产物进行预热，预热温度为100-300度。采用管式炉在氮气气氛中加热，升温速率是2℃/分钟，保温1h，然后自然冷却。

进一步地，步骤(2)所述的惰性气体为氮气或氩气。

进一步地，步骤(2)微波处理采用微波炉进行，功率500-1000W，时间为2-10s。

所述的石墨烯/碳化纳米纤维素复合材料用于制备超级电容器。具体方法为：将石墨烯/碳化纳米纤维素复合材料研磨成粉，使用PVDF(聚偏氟乙烯)或PTFE(聚四氟乙烯)粘结剂、乙炔黑导电剂混合搅拌均匀，涂覆在镍片或者压覆在泡沫镍上，烘干溶剂制成电极，用滤纸作为隔膜，用KOH或K₂SO₄作为电解液，利用纽扣电池壳封装成扣式超级电容器。