一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型绿色储能元件，具有功率密度大、使用温度范围宽、环境友好等优点，受到了人们的关注。电解液和电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。多孔炭是超级电容器的主要电极材料，但其具有颗粒间内阻较大、导电性较差等缺点，需通过添加粘结剂和导电剂来提高多孔炭电极材料的循环稳定性和电导率。本专利介绍了一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法，所得材料直接作为超级电容器的电极，不需要添加粘结剂和导电剂。
[0003]煤沥青，是煤焦油沥青的简称，它是煤焦油蒸馏后的残渣-副产物，具有含碳量较高、富含芳香性碳氢结构单元、价廉易得等优点。本文以煤沥青为碳源，以氢氧化钾为辅助活化剂生成大量的微孔，可以增加超级电器的比容。以二水醋酸锌为模板剂可以产生中/大孔，以提高多孔炭电极材料的速率性能。更为重要的是，我们所得多孔炭纳米片是直接生长在具有三维结构的泡沫镍上，可以避免使用绝缘性的粘结剂和导电炭黑，以缩短离子传输距离，从而提高电极材料的导电性，降低其内阻，最终提高超级电容器用电极材料的容量和速率性能。
[0004]本发明以煤沥青为碳源，具有廉价、易得、低灰和富含芳香性碳氢结构单元等优点。采用微波加热，具有加热均匀、快速和节能的优点。以廉价的二水醋酸锌作为模板，可以进一步降低超级电器电极材料的制备成本。文献检索表明，以煤沥青为碳源，以二水醋酸锌作为模板剂辅以氢氧化钾活化法制备相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍电极复合材料这一方法未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备方法。
[0006]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。
[0007]本发明具体步骤如下:
[0008](I)反应物的预处理:将泡沫镍洗涤、干燥后，冲成圆片并称重，放在蒽油中浸泡5min后得蒽油浸泡后的泡沫镍；将一定量的煤沥青与二水醋酸锌研磨混匀后在管式炉中加热，冷却到室温、研磨后得到混合物A ;称取一定质量的氢氧化钾研磨并与混合物A混合均匀，得到混合物B ;将混合物B均匀的压入蒽油浸泡后的泡沫镍的孔隙中，并将被填充后的泡沫镍与剩余的混合物B —起放入刚玉坩祸中，得到反应物C ；
[0009]其中:二水醋酸锌的质量占泡沫镍、煤沥青和二水醋酸锌三者混合物总质量的50%?65%;氢氧化钾和二水醋酸锌的质量比介于5/12?10/12之间；蒽油和泡沫镍的质量比为3/2 ;
[0010](2)相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的制备:把反应物C放在石英罩内，并将石英罩放入微波炉内；在流动的氩气气氛下，采用微波加热制备多孔炭纳米片/泡沫镍复合材料；反应结束后，将多孔炭纳米片/泡沫镍取出，放在稀盐酸溶液中浸泡2h以上，用蒸馏水洗涤至中性，干燥后得多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料。
[0011]作为一种优化，在步骤(I)中，煤沥青的质量为3g，二水醋酸锌的质量为18g，氢氧化钾的质量为10g，泡沫镍为0.26g，蒽油的质量为0.39g0此时制备所得复合材料在6mol/L KOH电解液中，在电流为2A/g或23mA/cm2时，其质量比容为490F/g，面积比容为2846mF/cm2o由复合材料制备的对称型超级电容器的可用能量密度为16.6ffh/kg或6.9mWh/cm2。
[0012]本发明科学原理:
[0013]以煤沥青为碳源，通过模板耦合氢氧化钾活化法，采用微波快速加热可以实现相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的原位制备。其中，泡沫镍一方面作为超级电容器的集流体，另一方面作为三维多孔炭的支撑骨架，可以实现多孔炭与泡沫镍的密切接触，减小电极材料的内阻，并省去以往超级电容器用电极材料所用的导电剂和粘结剂，从而简化超级电容器用电极材料的制备工艺，节约生产成本，并能提高超级电容器用电极材料的容量和速率性能。
[0014]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0015](I)碳源煤沥青和模板二水醋酸锌均具有廉价、易得的优点。
[0016](2)原料是以干混的方式混合均匀之后压入泡沫镍孔隙中，原料处理工艺简单。
[0017](3)采用微波一步加热直接制备相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料，具有高效、快速、节能的优点。
[0018](4)本专利省去以往超级电容器电极所用的导电剂和粘结剂，直接以泡沫镍为导电骨架，液化后的煤沥青和三维网状泡沫镍结合充分，减小电极材料的内阻，可以获得高容量和高速率性能的超级电容器电极材料。
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例1、2、3、4制备相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料时微波升温曲线。
[0020]图2是本发明实施例3所用相互连接的泡沫镍的电镜照片。
[0021]图3是本发明实施例3所得相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的电镜照片。
[0022]图4是本发明实施例3所得相互连接的多孔炭纳米片的电镜照片。
[0023]图5是本发明实施例1、2、3、4制备的相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的面积比容随电流密度的变化图。
[0024]图6是本发明实施例1、2、3、4制备的相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料的面积能量密度随功率密度的变化图。
【具体实施方式】
[0025]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，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。
[0026]实施例1
[0027]相互连接的多孔炭纳米片/泡沫镍复合电极材料C/N1-Ι具体制备过程如下:
[0028](I)反应物的预处理:将孔径为75目的泡沫镍在0.lmol/L的NaOH溶液里超声振荡Ih后，用蒸馏水洗涤至中性得碱处理后的泡沫镍；将碱处理后的泡沫镍