[发明专利]一种石墨烯/木质素基活性炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化工领域，特别涉及一种石墨烯/木质素基活性炭的制备方法。

背景技术

超级电容器是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置，是一种介于传统电容器与电池之间具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容储存电能，因而不同于传统的化学电源。超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长和工作温度范围宽，在国防、铁路、电动汽车电子、通讯、航空航天等领域具有广泛应用前景。按照储能机理的不同，超级电容器可分为三类：基于多孔炭电极/电解液界面双电层储能的双电层电容器，基于金属氧化物或导电聚合物表面快速氧化还原反应储能的准电容器，以及两个电极分别以双电层和准电容为储能机制的混合电容器，也称非对称电容器。当前，商品化超级电容器的主流是双电层电容器（包括无机电解液体系和有机电解液体系两种）。其中双电层电容器利用电子和离子或偶极子在电极/溶液表面的定向排列所产生的双电层来储存电荷，而法拉第准电容器则是通过电化学活性物质在电极表面或体相的准二维空间内发生化学吸附、脱附或氧化还原反应引起的电容，可被分为吸附赝电容和氧化还原赝电容。因此，电极材料的性能直接决定电容器的储能品质。

目前，应用于超级电容器的材料主要有碳基材料（活性炭、碳纳米管、炭气凝胶、石墨烯）、过渡金属氧化物或氢氧化物和导电聚合物（聚苯胺）。而碳材料因物理化学性质稳定，成本低，形式多样，易加工，孔径结构可控性好等特点而被广泛应用（Arunabha Ghosh, Young Hee Lee, ChemSusChem 2012, 5(3), 480-499）。其中活性炭因为具有比表面积大、孔隙结构可调、电化学稳定性高、制备简单、价格低廉、原料丰富、绿色环保等优点，在超级电容器电极材料方面具有重要的应用和开发价值。自Ruoff等于2008年首次报道了石墨烯的电容性能后，这种具有二维纳米结构、高电导率的新型炭材料在超级电容器领域的应用迅速受到关注，成为当前研究的一个热点（Stoller M D, Park S, Zhu Y, An J, Ruoff R S, Nano Lett 2008, 8, 3498-3502）。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳质材料，它具有片状的孔隙结构和良好的电子导电性能，在双电层充放电过程中这些特性有利于离子和电子的快速转移，因此它具有电化学稳定、电导率高和充-放电快等显著特点，是理想的电极材料。

然而，目前应用于超级电容器的活性炭虽然比表面积大，但其电导率却随其比表面积的增加而降低，从而极大影响了双电层电容的充放电性能。石墨烯片层间存在强的范德华力，它们易于团聚，甚至重新回到石墨状态，这必将带来石墨烯材料的比表面和导电性大幅度降低，导致石墨烯超级电容比电容迅速减少，这严重地制约了石墨烯在超级电容器中的广泛应用。此外，石墨烯制备工艺不够成熟，成本太高，阻碍了其工业化应用。因此，构建一种活性炭/石墨烯复合材料且有效实现二者协同作用具有重大的实用价值。

发明内容

针对现有技术中的活性炭电导率较低、石墨烯团聚严重且成本较高的问题，本发明提供了一种石墨烯与活性炭复合材料的制备方法。该方法有效制备了一种结构稳定、电导率高、比电容较大及比表面积优异的高性能复合电极材料，且方法简单，绿色经济。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种石墨烯/木质素基活性炭复合材料的制备方法及在超级电容器中的应用，包括以下步骤：

1）将氢氧化钠、氢氧化钾中一种或两种的者混合物与木质素按1:1~6:1的比例溶于去离子水中，依次搅拌、蒸干后于惰性气体氛围中以500~900 ℃高温裂解1~4小时，制得木质素基活性炭；

2）将步骤1）中所制备木质素基活性炭与氧化石墨按10:1～5:1的比例超声分散于去离子水，在去离子水中加入戊二醛、间苯二酚、硼砂中的一种或几种作为交联剂，25℃室温下反应1~5小时后干燥，得到氧化石墨/木质素基活性炭复合物；

3）将步骤2）制备的氧化石墨/木质素基活性炭复合物与氢氧化钾按1:1~1:6的质量比分散于去离子水，依次搅拌，过滤，烘干后于混有1%~20%的惰性气体的还原性气体中高温裂解还原，得到石墨烯/木质素基活性炭复合材料，所述高温裂解温度和时间分别为550~950 ℃和1~5小时；

进一步地，所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或多种。