[发明专利]用于电极材料的生物质/氧化石墨烯碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于生物质/氧化石墨烯碳复合材料技术领域，公开了一种生物质/氧化石墨烯碳复合材料。该复合材料的制备方法为，将生物质球磨、干燥后作为反应物A；多层氧化石墨烯与稀酸混合，混合液作为反应物B，A与B混合分散均匀后采用微波水热法处理，最后干燥得到生物质/氧化石墨烯炭复合材料。该复合材料制备方法简单，无需添加粘结剂和导电剂，复合材料具有高的导电性、高比容量及良好的倍率性能。

技术领域

本发明涉及生物质/氧化石墨烯碳复合材料，特别涉及用于电极材料的生物质/氧化石墨烯碳复合材料及其制备方法。

背景技术

生物质作为一种制备炭材料的新兴原材料，来源丰富，经济环保，在提高炭材料的倍率特性和电容储存的能力上具有极大的潜力。生物质基炭材料具有比表面积大，孔隙结构发达，化学稳定性高，价格低廉，来源丰富等特点，在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等领域有着广阔的应用前景，但是单纯的生物质基炭材料电阻较大，往往需要后续的高温碳化/活化过程以赋予其高的导电性，但是高温碳化后的类石墨烯生物质碳材料，该材料的电阻虽然能够在一定程度上减小，但是其导电性能还是无法满足要求，故该生物质碳材料仍需要添加导电剂，同时因为高温炭化/活化最终得到的碳材料为粉末状态，作为电极材料使用无法进行压片，需要进一步添加粘结剂。

石墨烯，是碳原子以sp2杂化方式连接，构筑成的二维层状材料，具有导电率高，导热率高，比表面积大及良好的化学稳定性等特性，在能量存储，传感器和生物医药等领域具有广泛的应用前景。石墨烯片层结构间的范德华力使得其在反应过程中容易团聚，而氧化石墨烯是在石墨烯骨架上引入许多含氧基团(环氧基，羟基和羧基)，使得石墨烯片层间的大π键遭到破坏，因此范德华力减弱，其分散性得到了改善，但是氧化石墨烯水热反应过后，经过水热微波处理后，氧化石墨烯会再次被还原，分散性还是不能很好的解决，仍然会发生团聚现象，同时，该石墨烯的孔道结构不够发达，不利于离子的运输，如果用作电极材料，其电容器的电容量储能不好。

现有技术中将生物质材料和石墨烯复合得到生物质碳材料，但是效果都不理想，比如中国专利申请CN108539149A公开了了一种石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料及其制备方法，将生物质材料在碱液中溶解，再加入到氧化石墨烯溶液中，充分混合后冷冻干燥，再经碳化，使生物质材料裂解生成氮、氧共掺杂的碳，同时氧化石墨烯被还原生成石墨烯，得到石墨烯复合氮、氧共掺杂生物质碳材料；通过调节原料的比例来调控氮、氧掺杂量，抑制原料在反应过程中的团聚，有利于电导率的提高；该制备方法成本低廉，但是需要后续碳化过程，反应中需要碱作溶剂，对环境有一定的影响。又如中国专利申请CN108538630A公开了一种生物质炭石墨烯柔性复合膜的制备方法，以蚕丝和氧化石墨烯为原料，以氢氧化钠或氢氧化钾为活化剂，采用静电纺丝技术，经过高温煅烧活化制备出富氮生物质炭石墨烯柔性复合膜。产品集富氮、多孔、柔性等特点于一身；将复合膜应用于超级电容器，具有高容量、长循环寿命及优异倍率性能的特点；但反应操作比较繁琐，需要活化过程，使用强碱作活化剂，并且需要使用强酸，不利于实际应用。中国专利申请CN108249418A公开了一种高比表面积杨梅核基石墨烯/有序介孔碳复合材料及其制备方法，其以杨梅核粉为原料，与苯酚、硫酸在三口烧瓶中进行反应，反应产物用丙酮进行稀释，用氢氧化钠溶液调节pH，通过热聚合和碳化过程，制备出同时富含石墨烯单片与有序介孔结构的杨梅核基石墨烯有序介孔碳复合材料。产品具有高比表面积、丰富的片状石墨烯和有序介孔结构，高稳定性强，可广泛应用于吸附分离、超级电容器、新型电化学传感以及锂离子电池等领域，但是反应步骤繁琐，时间长，需要使用苯酚和甲醛等有机溶剂，对环境产生负担。

上述生物质/石墨烯炭复合材料的制备方法往往需要使用强酸、强碱作为活化剂，苯酚或甲醛等有机试剂作为溶剂提高溶解度，反应过程还需后续高温炭化活化，反应时间长，步骤繁琐，不利于环境友好，限制了得到炭复合材料的发展及应用。