[发明专利]一种类石墨烯片层结构的碳纳米片材料的制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米材料领域，涉及一种类石墨烯片层结构的碳纳米片材料的制备方法；本发明同时还涉及该类石墨烯片层结构的碳纳米片材料作为超级电容器电极材料的应用。 

背景技术

超级电容器是一种新型储能装置，它具有比电容量大、充电时间短、使用寿命长、温度特性好和绿色环保等特点。它桥接了传统静电电容器的高功率输出和电池/燃料电池的高能量储存的功能，被认为是未来理想化学电源，所以具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。在超级电容器电极材料中，最早且应用最广的是各种形式的碳材料。研究发现碳材料的比表面积、孔径分布情况、材料的导电性以及材料的表面性状是影响超级电容器性能的重要因素。此外，材料的成本也是所需考虑的因素。

超级电容器碳电极材料从最早的比表面积大的活性炭逐渐发展到目前广泛研究的碳纤维、碳纳米管和石墨烯等。石墨烯是由单原子层的二维晶体碳材料。然而，石墨烯材料的价格昂贵、产率低、延展性差、制备过程繁琐等缺点很大的限制了其在实际工业上的应用。近年来，具有类似于石墨烯结构（薄片层结构）的碳纳米薄片也同样呈现出了一些类似于石墨烯的物理和化学性质，如具有高的导电率、大的比表面积、优良的化学稳定性等。目前，碳纳米薄片的制备方法主要是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、电弧放电法、模板法等，而这些方法不仅设备要求较高，而且产量仍然较低。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种类石墨烯片层结构的碳纳米片材料的制备方法；

本发明的另一目的是提供一种该类石墨烯片层结构的碳纳米片材料作为超级电容器电极材料的应用。

一、类石墨烯片层结构的碳纳米片材料的制备

本发明类石墨烯片层结构的碳纳米片材料的制备方法，是将有机高分子聚合物用去离子水洗涤除去杂质后，分别用浓度为1～3 mol/L NaOH 溶液、去离子水和乙醇洗涤，除去少量低分子量的聚合物及可溶性杂质，干燥后与无机化合物充分混合，在N₂保护、250～450℃的条件下预活化1～4 h，升温至600～900℃碳化2～6 h，然后在空气中，于200～300℃下二次活化1～3 h；所得碳材料于50～80℃的HCl溶液（1～3 mol/L）中浸泡6～48 h，冷却至室温，过滤，去离子水洗涤至中性，干燥即得。

所述有机高分子聚合物为如酚醛树脂、离子交换树脂、脲醛树脂中的至少一种；所述无机化合物为KOH、Ca(OH)₂、ZnCl₂、NH₄Cl中的至少一种；所述有机高分子聚合物与无机化合物的质量比为1:1～1:5。

所述干燥均是在40～70℃下进行真空干燥。

二、结构和性能测试

1、结构分析

图1为本发明制备的类石墨烯结构的碳纳米片的扫描电镜(SEM)的微观形貌图。从图1中可以看到，所制备的高分子化合物基碳基材料为较大面积的薄片状结构，其表面呈分级的褶皱状。褶皱状碳纳米薄片作为电极材料可以增大电极材料与电解液之间的接触面积，能够提供更大的电容储存能力。

图2为本发明制备的类石墨烯结构的碳纳米片的氮气吸-脱附等温线图及BET比表面积数据。该吸-脱附等温线属于典型的Ⅳ型等温线，属于中孔材料的吸附类型。其中孔特征在很大程度上缩短了电极材料和电解液中的电子和离子的转移路径，从而能提高电极材料的容量倍率性能。BET测试数据显示，本发明所制备的类石墨烯结构的碳纳米片的比表面积为280～550 m² g^-1，并且具有的孔体积高达1.3～3.2 cm³ g^-1。

2、电化学性能测试

电化学性能评价体系在常规的三电极体系中完成，采用上海辰华有限公司的CHI 660D型电化学工作站进行测试；循环稳定性测试采用武汉蓝电电子有限公司的CT2001A型测试仪。工作电极是玻碳电极，对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，电解液为6 M KOH水溶液。类石墨烯结构的碳纳米片材料作为超级电容器的电极材料，比电容为180～250 Fg^-1。