[发明专利]一种具有多级介孔结构石墨烯纳米片及其制法和在制备超级电容器中的应用

说明书

技术领域：

本发明属于碳基纳米材料的合成及电化学储能应用领域，涉及一种利用模板诱导的方法合成具有多级介孔结构石墨烯纳米片及其在制备电化学超级电容器中的应用。

背景技术：

由于具有导电性好，热稳定性好，使用寿命长，易于合成，来源丰富，环境友好的综合特性，碳基材料作为电极材料用于超级电容器储能具有良好的应用前景并已经成为常用的超级电容器电极材料之一。尽管如此，碳基电极材料应用于电化学储能存在着一些问题，如能量密度低，倍率性能差。碳基材料应用于超级电容器储能中存在的问题之一是能量密度低，造成能量密度低的原因之一是因为碳基电极材料的电容容量低。碳基电极材料应用于超级电容器储能存在的另一个问题是倍率性能差，造成倍率性能差的原因主要是由电解质的扩散阻力造成的。针对碳基电极材料的缺陷，目前广泛采用的做法是制备具有多级结构，表面积，高导电率的二维碳材料，并将其应用于有机电解质体系的超级电容器。阮殿波等人的专利(申请号：201510110365.4)报道了一种多孔石墨烯及采用其的超级电容器的制备方法，该方法将氧化石墨烯水溶液与无机盐通过水煮的方式制备了多孔石墨烯，利用该方法得到石墨烯在1.0M TEABF₄电解质中的电容容量较低，最高仅有139F/g。周旭峰等人的专利(申请号：201310355810.4)报道了一种多孔石墨烯及其制备方法，在氧化剂的作用下，将石墨类物质和硫在溶剂中加热发生反应，得到多孔石墨烯。但是该方法制备的多孔石墨烯的电容容量较低，仅有约160F/g，而且其循环稳定性较差，在经过5000个循环容量保持率为96％。上海一广新能源科技有限公司的专利(申请号：201210189917.1)报道了一种多孔石墨烯制备方法及制成产物的应用，该方法从氧化石墨烯出发制备多孔石墨烯，由于氧化石墨烯在水中的溶解度很低，因此该方法不利于大规模制备。周旭峰等人的专利(申请号：201310304284.9)报道了一种多孔石墨烯纳米带及其制备方法与应用，该方法在制备过程中涉及到混合强酸处理碳管的步骤，由于氧化处理碳管过程中会产生大量的污染性气体，因此该方法是环境不友好的，不利于大规模制备。宋怀河等人的专利(申请号：201310648804.8)报道了一种多孔石墨烯纳米片、制备方法及其作为电极材料的应用。发明涉及一种多孔石墨烯纳米片的制备方法，以树脂为碳源，与金属源进行固化、碳化处理，得到层次孔结构炭片，将其石墨化后得到多孔石墨烯纳米片，但是利用该方法得到多孔石墨烯的表面积很低，最高仅有300m²/g。以上的分析显示，目前报道的二维多孔碳材料的电容性能尤其是容量还比较差，距离实际的应用还相差较远。另外，目前报道的合成方法存在着低效率，成本高，不环保的缺陷，其中大部分报道的合成方法都依赖于氧化石墨烯的使用，结合以上分析，用一种简单有效的方法得到具有高容量的，长循环寿命的多级介孔结构石墨烯纳米电极材料仍然存在挑战。

发明内容：

本发明提供了一种具有多级介孔结构石墨烯纳米片的制备方法及其超级电容器储能性能。这种功能化的电极材料可在1.0M TEABF₄电解质中，实现高的电容存储容量(高达278F/g)和优异的循环寿命，在高电流密度下，经过10000次的连续充放电后其容量可以保持在100％。

本发明可以通过如下技术方案实现：

一种具有多级介孔结构石墨烯纳米片的制备方法，它包括下列步骤：

步骤1、将可溶性的树脂或糖类前体溶于水中得到浓度为0.5-1.5mol/L前体溶液；

步骤2、将步骤1中制备的前体溶液通过浸渍的方法浸渍到固体碱粉末上反应一定时间得到低聚前体/模板的混合物；

步骤3、将步骤2中得到的低聚前体/模板的混合物在一定温度下热固得到固化树脂/模板的混合物；

步骤4、将步骤3中得到的固化树脂/模板的混合物在高温氩气气氛下焙烧得到碳/模板的混合物；

步骤5、将步骤4中得到的碳/模板的混合物利用盐酸洗涤，过滤，烘干即得到具有多级介孔结构石墨烯纳米片材料。

上述的具有多级介孔结构石墨烯纳米片材料的制备方法，步骤1所述的可溶性树脂或糖类前体为低聚的酚醛树脂，糖类前体为蔗糖，葡萄糖，果糖。

上述的具有多级介孔结构石墨烯纳米片材料的制备方法，步骤2所述的固体碱为薄片状氢氧化镁或薄片状氢氧化钙，浸渍方法为初湿浸渍，浸渍时间为12-72h。

上述的具有多级介孔结构石墨烯纳米片材料的制备方法，步骤3所述的固化温度为80-120℃，固化时间为12-48h。