一种制备超级电容器用芴基分级多孔炭纳米片的方法
【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芴基分级多孔 炭纳米片的方法。
【背景技术】
[0002] 超级电容器是一种新型储能元件，又称电化学电容器或电双层电容器，具有充放 电速率快、循环寿命长、功率密度高等优点。超级电容器的电极材料主要包括碳基材料、导 电聚合物和过渡金属氧化物等。目前，商品化超级电容器的电极材料以碳基材料为主。多 孔炭具有发达的孔隙结构和可调变的表面化学性质，是超级电容器最早采用的电极材料之 一。多孔炭的形貌有片状、球状、蜂窝状等。生产多孔炭的原料主要有煤沥青、煤焦油、石油 沥青、稻壳、花生壳等。这些碳源均廉价易得，但都有一个共同的缺点：分子组成和结构复 杂。从而导致了这些碳源在炭化过程中发生的反应不能被有效的控制。
[0003]目前常规制备多孔炭的方法，不仅过程复杂，而且加热炭化过程发生的反应可控 程度低，对环境污染大。因此，亟需一种环保、可控程度高的新方法以制备超级电容器用分 级多孔炭纳米片。本专利首次采用了一种全新的原料一芴，作为碳源。芴，别称邻联苯甲 烷，是焦油的组分之一，结构类似于富勒烯的一个小结构单元，无毒无害。采用模板法可以 制备分级多孔炭。模板法中经常采用的是二氧化硅等难以溶解的硬模板，在后期去除时需 采用氢氟酸洗涤，导致严重的环境污染。化学活化法中采用的活化剂主要是氢氧化钠、氢氧 化钾、碳酸钾、氯化锌等。其中，氢氧化钾的活化效果最佳。因此，本发明首次提出了以芴为 碳源，以易于除去的、具有大的长/厚比的氧化镁纳米片为模板，协同氢氧化钾活化制备超 级电容器用分级多孔炭纳米片的技术方法。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有分级多孔炭纳米片制备技术中存在的不足，提出了一种工艺简 单、反应过程可控的制备超级电容器用芴基分级多孔炭纳米片的方法。
[0005] 该方法具体步骤如下：
[0006] (1)将一定质量的芴和一定质量的氧化镁纳米片放入研钵，研磨混合均匀，再将 一定质量的氢氧化钾放入研钵中研磨粉碎，最后将上述三种粉末混合均匀得到混合物；其 中，芴和氢氧化钾的质量比介于1/4~1/1之间；氧化镁纳米片和氢氧化钾的质量比介于 1/2~2/1之间；
[0007] (2)分级多孔炭纳米片的制备：将步骤（1)所得混合物放入刚玉舟中，然后将所 述刚玉舟置于管式炉内，预先通入氩气将管式炉内的空气排净，然后在氩气气氛下以5°C/ min的升温速率将管式炉加热至120°C，恒温30min，继续以5°C/min的升温速率将管式炉 加热至终温900~950°C，恒温60min后自然降至室温。最后将得到的产物取出，研磨粉碎 后，经过2M盐酸洗涤除去模板，蒸馏水洗涤至中性，干燥24h后研磨，得到超级电容器用分 级多孔炭纳米片。
[0008] 所得分级多孔炭纳米片的比表面积介于1581~2550m2/g之间，总孔孔容介于 0. 88~1. 57cm3/g之间，平均孔径介于2. 24~2. 40nm之间，微孔孔容介于0. 68~1. 06cm3/ g之间。本发明通过加热使纳米尺寸的芴分子液化形成薄层，随后，芴分子中的碳-氢键断 裂，形成活泼的自由基，接着，这些活泼的自由基发生聚合和芳构化反应，最终制得微米尺 寸的分级多孔炭纳米片。
[0009]与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
[0010] 1、在原料处理过程中采用干法混合研磨，随后，直接合成芴基分级多孔炭纳米片， 工艺简单，能耗低；
[0011] 2、纳米氧化镁作为模板剂，易于除去，且可回收再利用；
[0012] 3、采用芴作为碳源，其分子结构简单，反应过程可控；
[0013] 4、所得芴基分级多孔炭纳米片具有较大且薄的导电网络，较薄的炭纳米片上有 浅的微孔，作为超级电容器电极材料能显著提高离子的传输速率，有效提高了超级电容器 的速率性能；长度达微米的薄的纳米片能增加电子的传输速率，降低电极材料的内阻。在 〇.〇5A/g电流密度下，6M Κ0Η电解液中，以芴基分级多孔炭纳米片作为超级电容器的电极材 料，其比容高达267F/g ;当电流密度增大至100A/g时，其比容保持为205F/g，显示了很高的 容量和优异的速率性能。
【附图说明】
[0014] 图1本发明实施例2、3、4制备的芴基分级多孔炭纳米片的氮吸脱附等温线。
[0015]图2为本发明实施例2制备的芴基分级多孔炭纳米片的透射电镜照片。
[0016]图3为本发明实施例3制备的芴基分级多孔炭纳米片的透射电镜照片。
[0017]图4为本发明实施例4制备的芴基分级多孔炭纳米片的透射电镜照片。
[0018]图5为本发明实施例5制备的芴基分级多孔炭纳米片的透射电镜照片。
[0019] 图6为本发明实施例2、3、4制备的芴基分级多孔炭纳米片的比容随电流密度的变 化图。
[0020] 图7为本发明实施例2、3、4制备的芴基分级多孔炭纳米片电容器的可用能量密度 随平均功率密度的变化图。
【具体实施方式】
[0021] 为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是本 发明要保护的范围并不局限于实施例说明的范围，应当理解成事例性的，本领域的技术人 员可以在不违背本发明精神和范围的基础上进行改变和修改，所有这些改变和修改包括在 本发明范围内。
[0022] 实施例1
[0023] 荷基分级多孔炭纳米片HPCNS5 1()5的具体制备过程如下：
[0024] (1)反应物的研磨：将5g芴、10g氧化镁纳米片放入研钵，研磨混合均匀，再将5g 氢氧化钾放入研钵研磨，最后将上述三种粉末混合均匀得到混合物。
[0025] (2)芴基分级多孔炭纳米片的制备：将步骤（1)所得混合物放入刚玉舟中，然后 将所述刚玉舟置于管式炉内，预先通入氩气将管式炉内的空气排净，然后在氩气气氛下， 以5°C/min的升温速率将管式炉加热至120°C，恒温30min，继续以5°C/min的升温速率 将管式炉加热至终温900°C，恒温60min后自然降至室温。将所得到的产物取出，放入烧 杯中，向烧杯中加入2M的稀盐酸洗涤，磁力搅拌并超声震荡，除去模板，在室温下静置24h 后，用80-85°C蒸馏水洗涤至中性，干燥24h后研磨，所得芴基分级多孔炭纳米片标记为 HPCNS5 10 5。
[0026] (3)HPCNS51Q5作为超级电容器电极材料，在0· 05A/g电流密度下，在6MΚ0Η电解 液中，其比容为194F/g;当电流密度增大至100A/g时，其比容保持为148F/g。
[0027] 实施例2
[0028] 荷基分级多孔炭纳米片HPCNS5 1()i。的具体制备过程如下：
[0029] (1)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，氢氧化钾的质 量为10g。
[0030] (2)芴基分级多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实 施。所得荷基分级多孔炭纳米片标记为hpcns5 1() 1()。
[0031] (3)HPCNS5 1(]1(]作为超级电容器电极材料，在0. 05A/g电流密度下，在6MΚ0Η电解 液中，其比容为180F/g;当电流密度增大至100A/g时，其比容保持为142F/g。
[0032] 实施例3
[0033] 荷基分级多孔炭纳米片HPCNS5 1() 15的具体制备过程如下：
[0034] (1)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，氢氧化钾的质 量为15g。
[0035] (2)芴基分级多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实 施。所得荷基分级多孔炭纳米片标记为HPCNS5 1() 15。
[0036](3)HPCNS51Q1Q作为超级电容器电极材料，在0. 05A/g电流密度下，在6MΚ0Η电解 液中，其比容为267F/g;当电流密度增大至100A/g时，其比容保持为205F/g。
[0037] 实施例4
[0038] 荷基分级多孔炭纳米片HPCNS5 1() 2。的具体制备过程如下：
[0039] (1)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，氢氧化钾的质 量为20g。
[0040] (2)芴基分级多孔炭纳米片的制备：按照与实施例1中的步骤⑵同样的方法实 施。所得荷基分级多孔炭纳米片标记为hpcns5 1() 2。。
[0041](3)HPCNS51(]2。作为超级电容器电极材料，在0. 05A/g电流密度下，在6MΚ0Η电解 液中，其比容为186F/g;当电流密度增大至100A/g时，其比容保持为121F/g。
[0042] 实施例5
[0043] 荷基分级多孔炭纳米片HPCNS51() 15 95。的具体制备过程如下：
[0044] (1)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，氢氧化钾的质 量为15g。
[0045] (2)芴基分级多孔炭纳米片的制备：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，加热终温为950°C。所得芴基分级多孔炭纳米片标记为HPCNS51Q15 95。。
[0046](3)HPCNS51Q2。95。作为超级电容器电极材料，在0· 05A/g电流密度下，在6MΚ0Η电 解液中，其比容为160F/g;当电流密度增大至100A/g时，其比容保持为122F/g。
[0047] 实施例2~4所得芴基分级多孔炭纳米片的孔结构参数见表1。
[0048] 表1实施例2~4所得芴基分级多孔炭纳米片的孔结构参数
[0049]
【主权项】
1. 一种制备超级电容器用荷基分级多孔炭纳米片的方法，其特征在于，该方法具体步 骤如下： (1)反应物的研磨：将芴和氧化镁纳米片放入研钵，研磨混合均匀，再将氢氧化钾放入 研钵中研磨粉碎，最后将上述三种粉末混合均匀得到混合物； 其中：芴和氢氧化钾的质量比介于1/4~1/1之间；氧化镁纳米片和氢氧化钾的质量 比介于1/2~2/1之间； ⑵芴基分级多孔炭纳米片的制备：将步骤⑴所得混合物放入刚玉舟中，然后将所 述刚玉舟置于管式炉内，预先通入氩气将管式炉内的空气排净，然后在氩气气氛下以5°C/ min的升温速率将管式炉加热至120°C，恒温30min，继续以5°C/min的升温速率将管式炉 加热至终温900~950°C，恒温60min后自然降至室温。最后将得到的产物取出，研磨粉碎 后，经过盐酸、蒸馏水洗涤至中性，干燥24h后研磨，得到超级电容器用芴基分级多孔炭纳 米片。2. 如权利要求1所述的一种制备超级电容器用芴基分级多孔炭纳米片的方法，其特征 在于，在步骤（1)中，所述芴的质量为5g，氧化镁纳米片的质量为10g，氢氧化钾的质量为 15g;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芴基分级多孔炭纳米片的方法，属于炭材料制备技术领域。该方法是以芴为碳源，氧化镁纳米片为模板，氢氧化钾为活化剂，三者研磨混匀后转移至刚玉舟中，置于管式炉内进行加热，直接制得超级电容器用芴基分级多孔炭纳米片。所得多孔炭纳米片比表面积介于1581～2550m2/g之间，平均孔径介于2.24～2.40nm之间；作为超级电容器电极材料，在0.05A/g电流密度下，在6M？KOH电解液中，其比容高达267F/g；当电流密度为100A/g时，其比容保持为205F/g，表现出很高的容量和优异的倍率性能。本发明直接以芴为碳源，具有工艺简单、反应过程可控、对环境友好等优点。
【IPC分类】C01B31/02, B82Y40/00, H01G11/36
【公开号】CN105417521
【申请号】CN201511004433
【发明人】何孝军, 汪静娴, 邵小龙
【申请人】安徽工业大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月28日