[发明专利]一种聚苯乙烯基多孔炭/石墨烯复合材料及储能应用

说明书

本发明公开了一种以废弃聚苯乙烯为原料制备氮掺杂多孔炭/石墨烯复合材料的方法及其超级电容储能应用：将废弃聚苯乙烯用浓硫酸磺化，将其与有含氮官能团的化合物反应，再与石墨烯混合均匀，干燥后在惰性气氛下600‑1000度进行高温碳化和活化。用该方法制备的氮掺杂多孔炭/石墨烯复合材料为电极组装的超级电容器，具有高比能量、高比功率、高倍率性能和长循环使用寿命。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是涉及一种高比能长效超级电容器用多孔碳/石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

聚苯乙烯是一种有着广泛应用的热塑性塑料，常被用作包装材料、房屋保温材料，或用于生产水杯、一次性餐盒等器具。但是应该看到，聚苯乙烯在自然界中很难被自然降解，随意丢弃的聚苯乙烯垃圾会对环境会造成严重的污染，尤其是在海洋中漂浮的聚苯乙烯泡沫不仅危害到海洋生物的生存，而且会将有毒成分引入到食物链中去，从而影响到人类的健康。因此，对废弃聚苯乙烯进行有效回收和利用具有重要的意义。

有研究利用聚苯乙烯制备活性炭吸附材料的报道(Fuel ProcessingTechnology，2009，90：381-387；Carbon，2006，44：2404-2412)，用来除去空气中或水中的有害物质。Li等(Electrochimica Acta，2012，59：424-428)研究利用聚苯乙烯基活性炭做超级电容器的储能电极，但其比容量仅为182 F/g，能量密度也仅为2.3～5.1 Wh/kg，大大限制了其在储能领域的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明以聚苯乙烯为碳源，制备出一种新型氮掺杂多孔碳/石墨烯复合材料，并用做超级电容器电极。所组装的超级电容器具有高比电容、高倍率和高循环性能，同时比能量大大提高。

本发明所采用的技术方案是：

采用的石墨烯是氧化石墨烯、还原石墨烯中的一种或两种；

石墨烯的含量为0～15％，含氮官能团化合物的添加量为0～50％；

将将废弃聚苯乙烯泡沫用浓硫酸磺化，将其与有含氮官能团的化合物反应，再与一定量石墨烯混合均匀，干燥后进行高温碳化和活化得到一定石墨烯含量的多孔炭/石墨烯复合材料。

附图说明

图1为实施例1产物的扫描电镜图。

图2为实施例2产物的扫描电镜图。

图3为实施例3产物的扫描电镜图。

图4为实施例4产物的扫描电镜图。

图5为材料在电流密度为2 A/g时的充放电曲线。

图6为材料比电容与电流密度之间的关系曲线。

图7为超级电容器的比功率与比能量之间的关系曲线。

具体实施方式

实施例1：聚苯乙烯基活性炭的制备

将废弃聚苯乙烯泡沫洗净，用浓硫酸磺化后，在氮气氛下600度碳化2小时。再以3/1的碱碳比与KOH混合，在氮气氛下700度活化2小时。经洗涤并干燥后得到产物，如图1所示。

实施例2：多孔炭/石墨烯复合材料的制备

称取1克磺化聚苯乙烯，加入4毫升浓氨水和100毫升水，搅拌1小时。加入1％氧化石墨烯，继续搅拌1小时。干燥后在氮气氛下600度碳化2小时，再以3/1的碱碳比与KOH混合，在氮气氛下700度活化2小时。经洗涤、干燥后得到产物，如图2所示。

实施例3：多孔炭/石墨烯复合材料的制备