一种制备超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种制备超级电容器用相互连接的石墨稀纳米片的方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器，又叫双电层电容器或电化学电容器，作为一种新型的储能元件，具有功率密度高、循环寿命长和充放电速率快等优点，引起了人们的广泛关注。超级电容器主要由负载活性材料的电极、置于两个电极间的隔膜和电解液组成。石墨烯材料具有发达的孔隙结构和优良的导电性能，可以作为超级电容器的电极材料。制备石墨烯的碳源主要有石墨、氧化石墨等。目前，氧化石墨的价格高达1000元/克，导致石墨烯的价格居高不下。石墨烯的性能和价格主要由所用的碳源和制备工艺等决定。除了可以用石墨或者氧化石墨为原料外，还可以用煤质、生物质等原料来制备石墨烯材料。
[0003]煤焦油是煤焦化过程中得到的一种黑色或黑褐色粘稠状液体，主要由碳质多环芳香烃组成，有较高的碳含量。目前常见的利用方法是将煤焦油作为炼焦油配煤原料，利用率仅为煤焦油产量的30%左右。国内对煤焦油进行资源化的开发利用研究还处于初级阶段。由于我国能源结构以煤为主，煤焦油具有资源丰富、富含多环芳香性碳氢结构单元、价格低廉等优势。基于煤焦油的价格只有0.002元/克左右，以煤焦油为原料制备高附加值的石墨烯材料，不仅可以解决石墨烯原料价格昂贵这一问题，降低石墨烯的制备成本，也可为煤焦油的高附加值利用找到一条新的路径。文献检索表明，以溶于N，N_ 二甲基甲酰胺的煤焦油为碳源，纳米氧化镁为模板，氢氧化钾为活化剂制备超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片的这一方法未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种制备超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片的方法。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
[0006]该方法具体步骤如下:
[0007](1)反应物的预处理:将模板剂放入研钵中，加入活化剂研磨至均匀得混合物，将所得的混合物加入盛有碳源的烧杯中，边加边搅拌，再加入N，N-二甲基甲酰胺进行溶解，将得到的混合物超声震荡lh后待用；
[0008]所述模板剂的质量占模板剂、活化剂、碳源三者混合物总质量的44.4%?51.7%;所述活化剂和碳源的质量比介于2/1?3/1之间；N，N- 二甲基甲酰胺和碳源的质量比介于17/30 ?17/25 之间；
[0009]所述碳源为煤焦油，模板剂为纳米氧化镁，活化剂为氢氧化钾；
[0010](2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:把步骤(1)得到的混合物放入刚玉瓷舟中，然后将所述刚玉瓷舟置于管式炉内，通入氩气将管式炉内的空气排净，在流动氩气保护下，以5°C /min的升温速率将管式炉加热至150°C，恒温30min，继续以5°C /min的升温速率将管式炉加热至终温800?1000°C，恒温lh，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研碎后，经稀盐酸、蒸馏水洗涤至中性，干燥后得到超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片。
[0011]作为一种优化，在步骤(1)中，碳源的质量为6g，N，N_ 二甲基甲酰胺的质量为3.4g，模板剂的质量为9g，活化剂的质量为12g;在步骤(2)中，将管式炉加热至终温900。。。
[0012]与现有技术相比，该发明具有以下优点:
[0013]1、以煤焦油为碳源，碳料来源丰富、廉价易得、煤焦油富含多环芳香性碳氢结构单元;
[0014]2、在制备过程中，采用湿法混合，有利于原料的均匀混合，从而有利于丰富孔隙结构的形成；
[0015]3、本发明是以廉价易得的、富含多环芳香性碳氢结构单元的煤焦油为碳源，纳米氧化镁为模板，氢氧化钾为活化剂，直接制得超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片，具有工艺简单、成本低等优点；
[0016]4、本发明制备的超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片比表面积可达2887m2/g。相互连接的石墨稀纳米片电极材料在6 mol/L Κ0Η电解液中，当电流密度从0.05A/g增加到20A/g时，电极材料的容量保持率可达83.3%，在20A/g电流密度下，电极材料的比容可达261F/g，显示了很高的容量和很好的速率性能。
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例2、4、5制备的石墨烯纳米片的氮吸附等温线和脱附等温线。
[0018]图2为本发明实施例2制备的石墨烯纳米片IGNS69。。的透射电镜照片。
[0019]图3为本发明实施例4制备的石墨烯纳米片IGNS5■的透射电镜照片。
[0020]图4为本发明实施例5制备的石墨烯纳米片IGNS59。。的透射电镜照片。
[0021]图5为本发明实施例1、2、3、4、5制备的石墨烯纳米片在6M Κ0Η电解液中的比容随电流密度的变化图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
[0023]实施例1
[0024]相互连接的石墨烯纳米片IGNS6 ■的具体制备过程如下:
[0025](1)反应物的预处理:称取12g Κ0Η固体放入研钵中研碎，加入9g纳米氧化镁粉末，将二者均匀混合得到混合后的粉末，将混合后的粉末加入盛有6g煤焦油的烧杯中，向烧杯中滴加3.4g N，N-二甲基甲酰胺进行溶解，并用玻璃棒不断搅拌混合物，将混合物超声震汤lh后到反应物。
[0026](2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:把步骤(1)得到的反应物放入刚玉瓷舟中，然后将所述瓷舟置于管式炉内，在氩气保护下，以5°C /min的升温速率将管式炉加热至150°C，恒温30min，继续以5°C /min的升温速率将管式炉加热至800°C，恒温lh，反应结束后自然降至室温，然后将得到的产物取出，研磨粉碎后放入烧杯中，加入2mol/L稀盐酸超声震荡lh，再用磁力搅拌器搅拌24h，然后用70?80°C的蒸馏水洗涤至滤液的pH值为6?7，将洗涤后的样品置于干燥箱内于110°C恒温干燥24h后研磨过325目筛，得到超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片。所得相互连接的石墨烯纳米片标记为IGNS6S。。。作为超级电容器电极材料，IGNS6 ■在6mol/L氢氧化钾电解液中，在20A/g的电流密度下，其比容为249F/go
[0027]实施例2
[0028]相互连接的石墨烯纳米片IGNS6 9。。的具体制备过程如下:
[0029](1)反应物的预处理:按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。
[0030](2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实施，不同之处在于，加热的终温为900°C。所得相互连接的石墨烯纳米片标记为IGNS6 9。。。作为超级电容器电极材料，IGNS6 9。。电极材料在6mol/L氢氧化钾电解液中，在20A/g的电流密度下，其比容为261F/g。
[0031]实施例3
[0032]相互连接的石墨烯纳米片IGNS6 1M。的具体制备过程如下:
[0033](1)反应物的预处理:按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。
[0034](2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实施，不同之处在于，加热的终温为1000°C。所得相互连接的石墨烯纳米片标记为IGNS6 1000o作为超级电容器电极材料，IGNS6 ■电极材料在6mol/L氢氧化钾电解液中，在20A/g的电流密度下，其比容为126F/g。
[0035]实施例4
[0036]相互连接的石墨烯纳米片IGNS5 ■的具体制备过程如下:
[0037](1)反应物的预处理:按照与实施例1中的步骤⑴同样的方法实施，不同之处在于，所称取的煤焦油为5g，Κ0Η为15g。
[0038](2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实施，所得相互连接的石墨烯纳米片标记为IGNS5S。。。作为超级电容器电极材料，igns5S。。电极材料在6mol/L氢氧化钾电解液中，在20A/g的电流密度下，其比容为239F/g。
[0039]实施例5
[0040]相互连接的石墨烯纳米片IGNS5 9。。的具体制备过程如下:
[0041](1)反应物的预处理:按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施，不同之处在于，所称取的煤焦油为5g，Κ0Η为15g。
[0042](2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实施，不同之处在于，加热的终温为900°C，所得相互连接的石墨烯纳米片标记为IGNS5 9。。。作为超级电容器电极材料，IGNS5 9。。电极材料在6mol/L氢氧化钾电解液中，在20A/g的电流密度下，其比容为155F/g。
【主权项】
1.一种制备超级电容器用相互连接的石墨稀纳米片的方法，其特征在于该方法具体步骤如下: (1)反应物的预处理:将模板剂放入研钵中，加入活化剂研磨至均匀得混合物，将所得混合物加入盛有碳源的烧杯中，再加入N，N- 二甲基甲酰胺进行溶解，边加边搅拌，将得到的混合物超声震荡lh后待用； 所述模板剂的质量占模板剂、活化剂、碳源三者混合物总质量的44.4%?51.7%，所述活化剂和碳源的质量比介于2/1?3/1之间，所述N，N- 二甲基甲酰胺和碳源的质量比介于17/30?17/25之间； 所述碳源为煤焦油，模板剂为纳米氧化镁，活化剂为氢氧化钾； (2)相互连接的石墨烯纳米片的制备:把步骤(1)得到的混合物放入刚玉瓷舟中，然后将所述刚玉瓷舟置于管式炉内，通入氩气将管式炉内的空气排净，在流动氩气保护下，以5°C /min的升温速率将管式炉加热至150°C，恒温30min，继续以5°C /min的升温速率将管式炉加热至终温800?1000°C，恒温lh，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨粉碎后，经稀盐酸、蒸馏水洗涤至中性，干燥后得到超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片。2.如权利要求1所述的一种制备超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片的方法，其特征在于，在步骤⑴中，碳源的质量为6g ;N，N-二甲基甲酰胺的质量为3.4g;模板剂的质量为9g ;活化剂的质量为12g ;在步骤(2)中，将管式炉加热至终温900°C。
【专利摘要】本发明公开了一种制备超级电容器用相互连接的石墨烯纳米片的方法，属于炭材料制备技术领域。该方法是以溶于N,N-二甲基甲酰胺的煤焦油为碳源，纳米氧化镁为模板，氢氧化钾为活化剂，三者研磨混合后将混合物转移至刚玉瓷舟中，置于管式炉内在常压条件下进行加热，直接制得产物。本发明以廉价的、富含芳香性碳氢单元的煤焦油为原料直接制备石墨烯纳米片，具有工艺简单、成本低、适合工业化生产等优点。本发明制备的石墨烯纳米片电极材料在6mol/L？KOH电解液中，当电流密度从0.05A/g增加到20A/g时，电极材料的容量保持率达83.3％，在20A/g电流密度下，电极材料的比容为261F/g，显示了很高的容量和很好的速率性能。
【IPC分类】C01B31/04
【公开号】CN105236394
【申请号】CN201510546958
【发明人】何孝军, 邵小龙
【申请人】安徽工业大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年8月31日