[发明专利]一种石墨烯/碳气凝胶复合材料及制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种石墨烯/碳气凝胶复合材料及制备方法，首先将纤维素等生物质高分子与石墨烯复合，之后通过交联得到石墨烯/生物质高分子气凝胶，再通过高温炭化最终得到石墨烯/碳纳米纤维气凝胶复合材料。该复合材料不仅拥有丰富的三维孔洞结构，而且碳纳米纤维可以有效阻止石墨烯片层之间的堆叠作用，使得材料具有较大的比表面积，拥有优越的比电容以及循环稳定性能，展现了超级电容器良好的可逆充放电特性，因此在超级电容器电极材料方面有着较好的应用前景。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯/碳气凝胶复合材料(GNS/C)及制备方法。

背景技术

随着便携式和柔性电子在日常生活中的日益普及，质轻、柔性和高效的储能设备需求也随之而来。超级电容器被广泛认为是一类重要的能量储存装置，因为它高的功率密度、长的循环寿命以及接近传统电池的高的能量密度。碳材料由于其卓越的导电性能、极大的比表面积和化学稳定性，在超级电容器电极中引起了极大的关注，其中石墨烯是最引人注目的一种。最近几项研究表明，通过组装电解质或离子液体官能化石墨，烯薄膜(或还原的氧化石墨烯薄膜)可以成功的制造柔性固态超级电容器。

石墨烯可以从根本上提供高达550F/g的比电容值，但是由于其纳米片层间的再堆叠作用大大减少了其活性比表面积，大多数固态器件在1A/g的电流密度下达到的比电容仅仅在80～118F/g范围内，这阻碍了石墨烯在超级电容器电极材料中的实际应用。

为了解决这些挑战，具有三维多孔网络结构石墨烯储能材料的研究得到了广泛的关注。石墨烯片在三维空间中部分重叠的形成相互连接的多孔微结构，这种独特的分层结构不仅防止石墨烯片的重新堆积，还为电解质在内部网络结构中自由地扩散提供通道。这样的三维石墨烯材料具有极高的机械强度、导电性和比表面积，已经被直接用作无粘合剂超级电容器电极，同时具有优异的比容量、倍率性能和循环稳定性。

中国专利CN106206051A说明书中记载了一种石墨烯改性活性炭及其应用，将果壳、木质活性炭浸渍于氧化石墨烯去离子水分散液中，室温搅拌混匀，烘干，获得石墨烯改性活性炭用作超级电容器电极材料。中国专利CN109192524A说明书中记载了一种活性炭-石墨烯复合多孔材料制备方法，将煤沥青、石油焦材料进行炭化和破碎处理，然后通过搅拌、超声与氧化石墨烯复合，在经过冷冻干燥和破碎处理之后，再加入KOH进行活化处理从而制备出超级电容器电极材料。

在上述发明中，由于存在碳基材料制备繁琐、孔径尺寸过大不均匀等问题，导致GNS/C复合材料中石墨烯容易发生堆叠的技术问题，从而性能会受到影响。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种石墨烯/碳气凝胶复合材料及制备方法，在超级电容器电极材料中应用，复合材料为新颖的多孔碳纤维负载石墨烯的超级电容器电极材料，采用TEMPO氧化纳米纤维素等与石墨烯进行复合，利用纳米纤维素高长径比的特殊结构有效抑制石墨烯的堆叠，再通过盐酸物理交联的方式，进一步高温热解，获得了具有丰富三维孔洞结构的复合材料，具有高比电容和良好的循环稳定性，在保持循环稳定性的同时，极大的提高了材料的比电容。

解决以上技术问题的本发明中的一种石墨烯/碳气凝胶复合材料，其特征在于：包括以下组份：石墨烯、TEMPO/NaBr/NaClO体系和还原剂NaBH₄，石墨烯固含量为5～40wt％，TEMPO/NaBr/NaClO体系包括不可直接交联生物质高分子、TEMPO、NaBr和NaClO，不可直接交联生物质高分子、NaBr、NaClO、NaBH4质量比为1:1:5～80:10～80:10～80:10～80；其它原料为水和有机溶剂。

石墨烯固含量以石墨烯占纳米纤维素干重和石墨烯重量之和(除去水)来计算。

所述不可直接交联生物质高分子为甲壳素、木浆、棉短绒、秸秆纤维、麻纤维、甘蔗渣、芦苇、坚果壳纤维或柑橘纤维一种或两种以上.

优化方案中不可直接交联生物质高分子为木浆。