[发明专利]一种超级电容器用含镍纳米石墨烯碳球多孔复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种超级电容器用含镍纳米石墨烯碳球多孔复合电极材料及其制备方法和应用，属于复合材料制备方法和应用领域，为解决大量废弃聚氨酯泡沫引发了一系列的环境问题以及现有超级电容器用电极材料比电容与比功率低、成本高等问题，本发明提供的方法以工业和生活中废弃的聚氨酯泡沫为碳基体，利用水热法和碳化法制备出高比电容的含镍纳米石墨烯碳球多孔复合电极材料应用于超级电容器。该制备方法工艺简单，原料充足、成本低廉，达到了制备出具有高比电容的碳基复合电极材料，同时变废弃聚氨酯泡沫为宝，减少环境污染的目的。

技术领域

本发明涉及复合材料制备方法，特别涉及一种超级电容器用废弃聚氨酯碳基含镍石墨烯碳球多孔复合电极材料的制备方法和应用。

背景技术

超级电容器，作为近年来新兴的一种环境友好型的储能元件以其高比能量、高比功率、快速充电、长循环寿命在众多领域有着广泛的应用。电极材料作为超级电容器最核心的部件决定着其性能。目前，应用于超级电容器的材料有三种：碳基材料、导电聚合物、过渡金属化合物。然而，单一电极材料总有一定程度结构与性能上的缺陷。

近些年来，虽然众多研究在超级电容器电极材料方面取得了很大的进展，但是碳材料以其优异的循环稳定性仍占据着重要的地位。但碳材料存在比电容与比功率低的缺陷，且成本较高。因此，开发具有优异电化学性能、原料充足、价格低廉且制备简单的碳基复合电极材料，仍是超级电容器研究中最核心的课题。

聚氨酯是一种主链含有氨基甲酸酯基(-NHCONH-)重复结构单元且应用十分广泛的热塑性聚合物。目前，世界上聚氨酯类产品众多，包括涂料、粘合剂和弹性体等。其中，聚氨酯泡沫是工业和日常生活中最重要的聚氨酯产品之一，几乎渗透国民经济各个部门，特别是在绝热、冷藏、建筑、运输、家具、床具等领域使用尤其普遍。研究表明，仅2014年全球聚氨酯泡沫的生产量高达580万吨，我国占160万吨。由于聚氨酯泡沫不能够自我降解，工业和生活中产生的大量废弃聚氨酯泡沫引发了一系列的环境问题。因此，探索出一个可以循环利用废弃聚氨酯泡沫的途径，以达到降低环境污染，变废为宝创造经济效益的目的也成为了一个广泛研究的课题。

发明内容：

为解决大量废弃聚氨酯泡沫引发了一系列的环境问题以及现有超级电容器用电极材料比电容与比功率低、成本高等问题，本发明提供一种工艺简单、原料充足、成本低廉、变废为宝且高比电容的超级电容器用电极的制备方法。

本发明以废弃的聚氨酯泡沫为碳基，采用水热法在尿素水解产生的碱性环境中将氧化石墨烯和氢氧化镍包覆在骨架上，最后在氮气氛围中高温碳化，氧化石墨烯通过热还原作用还原为石墨烯，氢氧化镍高温分解为氧化镍，聚氨酯泡沫中的大分子和小分子融化并且在分子间作用力和表面张力的作用下形成纳米级碳球且碳球之间存在致密的孔道，最终制备出含镍纳米石墨烯碳球多孔复合电极材料。其中包覆的石墨烯和氧化镍分别起到控制熔融聚氨酯大小分子形成规则碳球和促进材料碳化的作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

步骤一：氧化石墨烯的制备。本发明采用改性Hummer法合成氧化石墨烯，将鳞片状石墨与浓硫酸混合，室温搅拌；再放入冰水浴中搅拌，并缓慢加入硝酸钠，充分反应后，分批次缓慢加入高锰酸钾，冰水浴中反应；将反应体系转移到室温下继续搅拌反应，之后水浴加热反应；加入蒸馏水，缓慢搅拌后超声；逐滴滴加双氧水至溶液呈金黄色，并加入10ml盐酸溶解不溶物，离心，取粘稠物。将粘稠物装入滤膜中渗析，直至渗析液的pH为6.8-7.2，在烘干后得到氧化石墨烯产品。

所述鳞片状石墨与浓硫酸的质量体积比(g/mL)为1:23；所述浓硫酸为98wt％的硫酸。

所述室温搅拌，搅拌时间为10-60min。

所述鳞片状石墨与硝酸钠的质量比为1:(0.2-2)。