基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料及其制备方法与流程

本发明涉及多孔碳材料技术领域，具体涉及一种基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器碳电极材料因其化学性能稳定，成本低廉等优势，引起国内外学者的广泛关注。为了满足人们对超级电容器性能不断提升的要求，需要在保证其功率密度的同时，提升其能量密度。

电极材料作为超级电容器的核心部件，其对电容器的性能至关重要。大量的物质被证实能作为超级电容器的电极材料，大概可以分为三大类：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。氧化钌(ruo2)作为金属氧化物中最具有代表性的，其最早由conway发现，其比容量为720f/g，并展现出优异的循环稳定性，但是其高昂的成本限制其广泛运用。随后以二氧化锰(mno2)、氧化镍(nio)为代表的过渡主族金属氧化物也受到广泛的研究。导电聚合物因其高导电性、高储能密度、成本低、制备简单等特点，受到广泛的关注，最具代表性的有聚苯胺(pani)、聚吡咯(ppy)和聚噻吩(pth)及其衍生物等，但存在机械性能过低、循环性能差等缺点。碳材料来源丰富、成本低廉，具有广阔的商业前景。目前具有代表性的碳材料有：活性炭、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯。目前，商业化的双电层电容器电极材料一般选用活性炭，因其具有物理化学性能稳定，成本低廉、比表面积高等一系列优点。碳纳米管因自身比容量较低，限制了其单独作为超级电容器电极材料的应用，但由于其特殊的结构和良好的离子传输能力，更多的被用于与其他物质进行复合，从而提升整体电化学性能。碳气凝胶因为其比容量较低，限制了其自身运用在超级电容器上，但是近些年来，研究学者通过碳气凝胶与其他材料进行复合运用在超级电容器领域。石墨烯是具有sp²杂化结构的单层石墨，其具有良好导电率、超大比表面积(2630m²/g)、优异机械性能、稳定化学性能等特点。目前石墨烯电极材料制备方法，按照碳源类型及模板差异大致可以分为：石墨剥离法、化学气相沉积法、模板法、生物质原料法。自然界中生物质材料种类丰富，易于获取，研究者发现通过将生物质材料进行一定的处理，也可以得到性能良好的超级电容器电极材料。

目前，商业化活性炭虽具有大的比表面积(～3000m²/g)，但较低的能量密度，无法满足日益增长的需求，因此选择合适的材料和制备方法提升性能成为当下研究的重要方向。水稻在江浙沪地区是一种资源特别丰富的农产品，结合江苏省的区域特性，利用生物废料稻壳，通过催化、活化制备出大体积比容量和比电容的具有三维多孔类石墨烯结构碳材料作为超级电容器的负极，并总结微观形貌和孔径尺寸的变化规律。为生物废料水稻壳规模化制备超级电容器电极材料提供指导方案，充分利用生物废料，为能够将稻壳转化成高附加值的大容量超级电容器碳电极材料提供可能，同时也减少稻壳带来的环境污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料的制备方法，本发明的制备方法工艺简单，充分利用生物废料，为能够将稻壳转化成高附加值的大容量超级电容器碳电极材料提供可能，同时也减少稻壳带来的环境污染。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料的制备方法，包括如下的步骤：

(1)按照镍元素与稻壳的质量比为0.03～0.06:1的比例，将稻壳浸泡于镍盐溶液中，搅拌，干燥后得到稻壳-镍盐混合物；

(2)将稻壳-镍盐混合物于700℃下碳化，得到rhni-700；接着使用酸液浸泡去除rhni-700中的镍盐颗粒，清洗，干燥后，得到rhni-700a；

(3)按照1:4～5的质量比将rhni-700a与碱溶于水中，混合均匀后干燥；接着在惰性气体氛围下，使干燥后的混合物于550℃～650℃下活化，即得到所述稻壳基类石墨烯多孔碳材料。

作为优选，步骤(1)中，镍元素与稻壳的质量比为0.05:1。

作为优选，步骤(1)中，所述镍盐溶液为浓度为0.1～0.2mol/l硝酸镍溶液，所述浸泡的时间为10～12h；更优选的，所述硝酸镍溶液的浓度为0.1mol/l，所述浸泡的时间为12h。

作为优选，步骤(2)中，所述碳化具体为：将稻壳-镍盐混合物置于管式炉中，以升温速率10℃/min升温至700℃，保温1h。

作为优选，步骤(2)中，所述酸液为1～3mol/l的硝酸，更优选的，所述酸液为2mol/l的硝酸。

作为优选，步骤(3)中，所述碱为koh，所述rhni-700a与koh的质量比为1:4。

作为优选，步骤(3)中，所述活化温度为600℃。

作为优选，步骤(3)中，所述活化具体为：将干燥后的混合物放置在反应器中，再将反应器放置于管式炉中，在氮气氛围下，以10℃/min的升温速率升温至600℃，保温1h。

此外，本发明还提供了由前述的制备方法制备得到的基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料。

此外，本发明还提供了一种电极，该电极是由前述的基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料、导电炭黑、聚四氟乙烯以及泡沫镍制备而成的。

作为优选，所述电极经如下步骤制备而成：

(1)按8:1:1的质量比将基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料、导电炭黑和聚四氟乙烯充分研磨混合于无水乙醇溶液中，直至呈粘稠状浆料状态；

(2)将得到的浆料涂敷在基底上，再将泡沫镍放置于涂敷好的浆料上，固定好后，施以2t的压力，并维持10s；

(3)将泡沫镍取出，于80℃条件下干燥12h，即得到所述电极。

本发明的有益效果是:

1、本发明的制备方法，工艺简单，充分利用生物废料，为能够将稻壳转化成高附加值的大容量超级电容器碳电极材料提供可能，同时也减少稻壳带来的环境污染。

2、本发明的制备方法能够得到具有大的面积比容量和比电容的三维多孔类石墨烯材料，经过测试，在0.1a/g电流密度下，体积比容量可达473.2f/cm³，面积比容量可达38.8μf/cm²，是一种极具前景的电极材料。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)是实施例及对比例样品的等温氮气吸附/脱附曲线；

图1(b)是实施例及对比例样品的nldft模拟图；

图1(c)是实施例及对比例样品的xrd图；

图1(d)是实施例及对比例样品的拉曼光谱图；

图2是rhg-700-600和rhg-700-800样品的sem图和tem图；

图3是rhg-700-700样品的tem图；

图4是实施例及对比例样品的xps宽扫和c1s峰拟合处理图；

图5是实施例及对比例的样品的eis图；

图6(a)是实施例及对比例的样品的体积比容量的cv曲线图；

图6(b)是实施例及对比例的样品的体积比容量随电流密度变化曲线；

图6(c)是实施例及对比例的样品的面积比容量的cv曲线图；

图6(d)是实施例及对比例的样品的面积比容量随电流密度变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：制备rhg-700-600样品

以水稻稻壳作为生物质碳源，硝酸镍为镍源，koh为活化剂，利用镍催化制备出具有类石墨烯结构碳材料，koh对其进行活化。具体制备过程如下：

(1)将稻壳用纯水洗净，除去污泥等杂质，在60℃烘箱中干燥待用。

(2)称取1.9758gni(no3)2·6h2o溶解于100ml纯水中，配置成硝酸镍溶液。

(3)称取6g干燥稻壳(镍元素质量：稻壳质量＝0.05:1)，加入到配置好的硝酸镍溶液，并磁力搅拌12h。后在60℃鼓风烘箱中干燥，除去多余水分。

(4)将干燥后硝酸镍-稻壳混合物放置于管式炉中，以升温速率10℃/min分别升温至700℃，并保温1h后随炉冷却，得到样品rhni-700。

(5)将所得样品加入到2mol/lhno3溶液中，磁力搅拌12h，除去样品中的镍纳颗粒。样品用纯水清洗至ph＝7，后在80℃鼓风烘箱干燥12h待用，分别得到样品rhni-700a。

(6)称取1.7grhni-700a和8gkoh(样品质量：koh质量＝1:4,koh纯度≥85.0％)混合于40ml纯水中，磁力搅拌4h后，将混合物在80℃鼓风干燥箱中干燥12h待用。

(7)将干燥后混合物分别放置在耐高温不锈钢反应器中，在将反应器放置于管式炉中，在氮气氛围下，以升温速率10℃/min分别升温至600℃，并保温1h后随炉冷却，得到实施例1样品rhg-700-600。

对比例1-2：制备rhg-700-700和rhg-700-800样品

对比例1-2的制备步骤同实施例1，区别仅在于第(7)步时分别升温至700℃和800℃。

实施例2：制备测试电极

工作电极的制备流程如下：

第一步：将实施例/对比例的样品、导电炭黑、聚四氟乙烯按质量比＝8:1:1，充分研磨混合于无水乙醇溶液中，直至粘稠状浆料状态。

第二步：平整均匀的将粘稠状浆料涂敷在干净的称量纸上，将冲压好的干净圆形泡沫镍放于涂敷好的电极材料上。

第三步：将第二步中所得的材料用钢板固定后，用液压泵施以2t的压力，并维持10s。

第四步：将带有电极材料的圆形泡沫镍电极取出，置于80℃鼓风烘箱干燥12h，得测试电极，待用。

实施例3：制备超级电容器

本发明中电极材料电化学测试均使用双电极体系。实验采用电池壳型号为cr2032(深圳科晶)，以celgard3501聚丙烯膜(pp)作为隔膜，以6mol/lkoh溶液作为电解液，组装双电极体系超级电容器。

测试与表征：

1、分别对实施例和对比例样品进行等温氮气吸附/脱附表征和nldft模拟分析，所得结果分别如图1(a)和图1(b)所示。

通过对比图1(a)中的氮气吸附/脱附曲线可以发现现rhg-700-700出现明显的滞后环，而rhg-700-600的样品主要是由微孔组成。rhg-700-800样品几乎不存在大的中孔和大孔。通过对三者进行nldft模拟分析得到图1(b)，可以发现相比较于rhg-700-700，rhg-700-600和rhg-700-800的孔径分布范围较小，且主要集中在5nm以下。对比rhg-700-600和rhg-700-800，rhg-700-600孔分布主要集中在2nm以下，比rhg-700-800孔分布更小。

2、分别对实施例和对比例的样品进行x射线衍射分析和拉曼光谱测试，所得结果分别如图1(c)和图1(d)所示。

从图1(c)中可以知道，rhg-700-600样品中还存在较多的无定形碳，导致其比表面积和孔体积在三者中最小。rhg-700-800与rhg-700-700同一角度衍射峰不明显，表明较高活化温度导致结构被严重破坏，进而导致比表面积和比孔体积的下降。从图1(d)可以知道，由于rhg-700-600活化温度不够，koh没有足够能量对三维类石墨结构进行活化、消耗无定型碳。而rhg-700-800中活化过高，严重破坏了原有结构，导致其d峰比rhg-700-700的d峰明显。

3、分别对实施例和对比例的样品进行sem和tem测试，所得结果如图2-3所示。

从图2-3中可以看出，发现rhg-700-600样品中存在类似rhg-700-700的三维多孔类石墨烯结构，但并不是非常明显，但可以看出存在多孔结构，且从边缘上看到层状类石墨烯结构。rhg-700-800中也未存在明显的三维多孔结构。

4、分别对实施例和对比例的样品进行xps表征，所得结果如图4所示。

通过对比发现，宽扫图表明样品中含c、o元素，发现rhg-700-x中都含有在coo^ˉ、c＝o和c-o，这说明样品表面还有羧基含氧官能团，这与前面表征结果对应。

电池性能测试：

cv曲线测试，采用德国zahner的im-6型号电化学工作站，扫描速率为10～200mv/s，扫描电压范围为0～1v。通过曲线形状可以判断一系列电化学性能。eis测试使用zahner的im-6电化学工作站，电压扰动为5mv，测试频率范围为100mhz～100khz。恒流充放电及循环测试，采用新威ct-4008电池测试系统，测试电压范围0～1v，电流范围为0.1～20a/g；循环测试电流大小为10a/g，循环次数为10000次。

从eis图中可以发现rhg-700-800电子传输能力最差，其次是rhg-700-600，最好的是rhg-700-700。对比不同的温度发现rhg-700-700的导电能力最好。

图6(a)是rhg-700-x在扫描速率为20mv/s时体积比容量的cv曲线。可以发现rhg-700-600的cv曲线围成的面积最大，而rhg-700-700围成的面积最小，但其最接近矩形。图6(b)进一步比较对应电流密度下样品的体积比容量值，发现rhg-700-700的体积比容量随电流密度增大衰减最不明显，这与其eis图对应。不同活化条件样品的比容量cv曲线和恒流充放曲线，如图6(c)和(d)所示。在0.1a/g电流密度下，rhg-700-600具有最大的面积比容量，且随着电流密度的增大，其面积比容量均为最大值。同时可以发现rhg-700-800的面积比容量要略小于rhg700-700。

只改变活化温度，发现随着活化温度的升高，前驱体中类石墨结构被破坏的程度不同，制备出具有不同结构的碳基体。800℃时koh的活化能力强，破坏了前驱体中的类石墨结构，使得其电子和离子传输能力变差，同时由于孔结构的改变使得其体积比容量变低。600℃时koh的活化能力较弱，保留了前驱体中类石墨结构，且制造出的无法提供容量的微孔少，同时，由孔径分布、孔形状和亲水性共同作用，使得实施例样品rhg-700-600在0.1a/g下具有大的体积比容量为473.2f/cm³，最大的面积比容量为38.8μf/cm²，在10a/g下体积比容量为319.5f/cm³为0.1a/g时的67.5％。

由上述结果可知，与对比例1-2相比，实施例rhg-700-600具有最大的面积比容量，且随着电流密度的增大，其面积比容量均为最大值，适合作为电极材料。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。