[发明专利]一种石墨烯量子点气凝胶衍生多孔碳的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯量子点气凝胶衍生多孔碳的制备方法和应用，将煤粉加入混合酸溶液，加热条件下回流后冷却，得到黑棕色混合溶液，再稀释和分离过滤后得到一次上清溶液和黑色沉淀，对一次上清溶液透析至中性，再进行浓缩后干燥，得到煤基石墨烯基量子点，将其加入到醋酸溶液中，分散均匀，得到混合溶液；在加热保温条件下加入亲水性胶体，直至亲水性胶体完全溶解后冷却，在搅拌条件下加入造孔剂，混合溶液形成泡沫状凝胶，冷冻干燥后，得到石墨烯量子点气凝胶；然后在700℃～900℃高温煅烧，得到石墨烯气凝胶衍生多孔碳，产物不仅具有三维多孔结构，为超级电容器提供给高孔隙率和大比表面积，解决石墨烯易堆叠，难分散等抑制电化学活性的难题。

技术领域

本发明属于新材料制备领域，涉及一种石墨烯量子点气凝胶衍生多孔碳的制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型储能器件，具有环境友好、使用循环寿命长、充放电速度快、成本低、功率高、容量大、温度范围宽、安全性能高等特性。商用的超级电容器的活性电极材料主要采用活性炭，其功率密度、能量密度和器件柔韧性都需进一步提高。石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，具有超大的理论比表面积，充分裸露的外表面可以被电解液充分浸润和利用，呈现出更高的双电层比电容，适用于大电流密度下的快速充放电。同时，石墨烯具有稳定的物理化学性质，可在高电压下稳定工作且结构保持稳定，这都有利于能量密度的提升；优异的导电能力可以促进电子快速传递，降低内阻；二维片层结构具有超强韧性和超高强度，有利于提升器件的循环寿命和力学性能。因此石墨烯被认为是高电压、高容量、高功率密度超级电容器最具潜力的活性电极材料。

在石墨烯电极材料的制备过程中，石墨烯各片层之间存在着很强的分子间作用力，很容易团聚，导致石墨烯粉体不易分散在溶剂中，难以获得分散均匀的石墨烯浆料。添加分散剂和延长分散时间的添加剂又会降低电极比容量和电子电导，增加超级电容器的自放电，影响超级电容器的使用性能。为解决石墨烯易团聚，在溶剂中的分散性差，难以获得均匀的石墨烯浆料等难题。本发明设计合成了具有更小粒径的石墨烯量子点，能够均匀的分散在水溶液中。石墨烯量子点(GQDs)由于其独特的sp²杂化结构，具有优良的分散性和灵活性，在制备导电多孔碳方面显示出巨大的潜力。单纯的石墨烯量子点作为一种细小的粉末，需要经过调浆、涂覆、干燥等处理过程才能制备得到电极片，应用于超级电容器，该制作过程复杂、繁琐、耗时且耗能。而将石墨烯量子点引入凝胶模板中，通过冻干和热解处理制备得到的石墨烯量子点气凝胶衍生多孔碳可以同时具有良好的导电性和较快的离子迁移动力学。凝胶模板可以很容易地构建出具有足够离子迁移通道的多孔结构和大面积的共轭网络，提升产物的导电性。凝胶模板制得的石墨烯量子点气凝胶衍生多孔碳作为自支撑电极，不仅具有良好的力学性能和电化学性能，还可以减少超级电容器在装配过程中粘结剂和有机溶剂的使用，防止活性物质的脱落。

石墨烯片层之间存在较强的分子间作用力，极易团聚，导致分散性较差，难获得均匀分散的浆料。纳米式结构的石墨烯在电极制备过程中由于分散液溶剂的挥发而易产生片与片之间的堆叠，而致密的堆叠会阻碍电解质对石墨烯电极材料的浸润，降低电极材料的有效比表面积，同时也会减缓离子的迁移，从而影响石墨烯自身优异性能的发挥。石墨烯粉末作为超级电容器的电极材料在使用之前需要进行调浆，涂覆，烘干等一系列繁琐的操作才能制备得到电极片，电极片的制作过程繁琐且耗时。

现有技术中存在的问题：（1）石墨烯片层之间存在较强的作用力，易团聚，在溶剂中分散性较差，很难获得分散均分的石墨烯浆料。（2）纳米片式结构的石墨烯在电极制备过程中易发生致密堆叠，阻碍电解质对石墨烯电极片的浸润，导致电极的有效比表面积减小，同时也会阻碍离子的迁移，从而影响石墨烯自身优异性能的发挥。（3）粉末状电极活性材料的电极片制作过程需要添加导电剂、粘结剂和有机溶剂，制作工艺繁琐且耗时较长。

发明内容