[发明专利]三维自组装气凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器材料领域及吸附材料领域，具体地，涉及三维自组装气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器，又称电化学电容器，它作为一种新型的储能装置，是一种新型储能装置，因其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，而越来越受瞩目。但是由于超级电容器的能量密度与电池相比还有一定的差距，致使其的应用受到很大的限制。

因而，关于超级电容器的研究仍有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种使超级电容器具有较高的功率密度和长的循环使用寿命，且绿色环保的手段。

本发明是基于发明人的系列发现而完成的：发明人发现，影响超级电容器能量密度的主要因素有两个：电解液和电极材料。超级电容器的电极材料主要可分为两大类：传统的活性电极材料和新型的活性电极材料。其中传统的活性电极材料包括：多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维材料、碳气溶胶材料、碳纳米管等。这一类材料主要是基于双电层来进行储能的。新型的活性电极材料包括：石墨烯、金属氧化物，如RuO₂、MnO₂等；导电聚合物材料，如聚苯胺（PANi）、聚吡咯（PPy）等。这一类材料主要靠产生赝电容来进行储能的。所以归结起来，活性电极材料主要分为三类：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。总体上来讲，对于超级电容器电极活性材料的理想要求主要包括：较高的比表面积、较小的内阻值、较好的循环能力、较高的能量密度、较高的功率密度、宽操作电压范围、高循环寿命等。对于电极材料的选择，一方面制备出一种全新的材料，另一方面对已有的材料进行一些结构上的优化改造。经过大量的实验和艰苦的劳动，发明人惊奇地发现，采用氧化石墨烯和碳纳米材料及吡咯制成的具有三维海绵结构的气凝胶，具有良好的导电性、较大的比表面积，较高的比电容、可以用作超级电容器的电极。它作为超级电容器的电极材料，因为具有达到2630m²/g的高的比表面积，导电性能也比较优良，也可获得比较大的比电容，所以是一种新型的储能装置。同时，发明人惊喜地发现，上述气凝胶还具有很小的密度、快速吸油性、吸附有机物等特性，可用于海上石油渗漏、水环境污染等。

因而，在本发明的一个方面，本发明提供了一种三维自组装气凝胶。根据本发明的实施例，该三维自组装气凝胶含有：氧化石墨烯、碳纳米管和吡咯。发明人发现，本发明的三维自组装气凝胶具有较好的机械性能，可裁切为不同形状，且具有良好的导电性、较大的比表面积，较高的比电容以及良好的循环性能，可以用作超级电容器的电极。同时，本发明的三维自组装气凝胶具有较小的密度，对染料、油类及有机溶剂具有很好的吸附性能，可用于海上石油渗漏、水环境污染等。

根据本发明的实施例，所述三维自组装气凝胶具有三维海绵结构，并且孔径为10～100微米。由此，有利于提高该三维自组装气凝胶的比表面积。

根据本发明的实施例，所述三维自组装气凝胶的比表面积为120～600平方米/克。由此，采用该三维自组装气凝胶制备的超级电容器的能量密度较高、循环寿命较长；采用该三维自组装气凝胶作为吸附材料用于污水处理时，吸油、吸有机物质的能力较强。

根据本发明的实施例，所述三维自组装气凝胶的比电容为85～155法拉/克。由此，有利于提高由该三维自组装气凝胶制备的超级电容的能量密度。

根据本发明的实施例，所述三维自组装气凝胶的密度为2.0～15毫克/立方厘米。由此，有利于提高由该三维自组装气凝胶制备的超级电容的能量密度。

根据本发明的实施例，所述自组装是通过水热法进行的。由此，能够快速有效地制备三维自组装气凝胶。