[发明专利]基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料及其制备方法

说明书

本发明公开了基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料的制备方法，包括如下的步骤：(1)按照镍元素与稻壳的质量比为0.03～0.06:1的比例，将稻壳浸泡于镍盐溶液中，搅拌，干燥后得到稻壳‑镍盐混合物；(2)将稻壳‑镍盐混合物于700℃下碳化，得到RHNi‑700；接着使用酸液浸泡去除RHNi‑700中的镍盐颗粒，清洗，干燥后，得到RHNi‑700A；(3)按照1:4～5的质量比将RHNi‑700A与碱溶于水中，混合均匀后干燥；接着在惰性气体氛围下，使干燥后的混合物于550℃～650℃下活化，即得到所述稻壳基类石墨烯多孔碳材料。本发明的制备方法工艺简单，充分利用生物废料，为能够将稻壳转化成高附加值的大容量超级电容器碳电极材料提供可能，同时也减少稻壳带来的环境污染。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料技术领域，具体涉及一种基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器碳电极材料因其化学性能稳定，成本低廉等优势，引起国内外学者的广泛关注。为了满足人们对超级电容器性能不断提升的要求，需要在保证其功率密度的同时，提升其能量密度。

电极材料作为超级电容器的核心部件，其对电容器的性能至关重要。大量的物质被证实能作为超级电容器的电极材料，大概可以分为三大类：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。氧化钌(RuO₂)作为金属氧化物中最具有代表性的，其最早由Conway发现，其比容量为720F/g，并展现出优异的循环稳定性，但是其高昂的成本限制其广泛运用。随后以二氧化锰(MnO₂)、氧化镍(NiO)为代表的过渡主族金属氧化物也受到广泛的研究。导电聚合物因其高导电性、高储能密度、成本低、制备简单等特点，受到广泛的关注，最具代表性的有聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚噻吩(PTh)及其衍生物等，但存在机械性能过低、循环性能差等缺点。碳材料来源丰富、成本低廉，具有广阔的商业前景。目前具有代表性的碳材料有：活性炭、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯。目前，商业化的双电层电容器电极材料一般选用活性炭，因其具有物理化学性能稳定，成本低廉、比表面积高等一系列优点。碳纳米管因自身比容量较低，限制了其单独作为超级电容器电极材料的应用，但由于其特殊的结构和良好的离子传输能力，更多的被用于与其他物质进行复合，从而提升整体电化学性能。碳气凝胶因为其比容量较低，限制了其自身运用在超级电容器上，但是近些年来，研究学者通过碳气凝胶与其他材料进行复合运用在超级电容器领域。石墨烯是具有sp²杂化结构的单层石墨，其具有良好导电率、超大比表面积(2630m²/g)、优异机械性能、稳定化学性能等特点。目前石墨烯电极材料制备方法，按照碳源类型及模板差异大致可以分为：石墨剥离法、化学气相沉积法、模板法、生物质原料法。自然界中生物质材料种类丰富，易于获取，研究者发现通过将生物质材料进行一定的处理，也可以得到性能良好的超级电容器电极材料。

目前，商业化活性炭虽具有大的比表面积(～3000m²/g)，但较低的能量密度，无法满足日益增长的需求，因此选择合适的材料和制备方法提升性能成为当下研究的重要方向。水稻在江浙沪地区是一种资源特别丰富的农产品，结合江苏省的区域特性，利用生物废料稻壳，通过催化、活化制备出大体积比容量和比电容的具有三维多孔类石墨烯结构碳材料作为超级电容器的负极，并总结微观形貌和孔径尺寸的变化规律。为生物废料水稻壳规模化制备超级电容器电极材料提供指导方案，充分利用生物废料，为能够将稻壳转化成高附加值的大容量超级电容器碳电极材料提供可能，同时也减少稻壳带来的环境污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料的制备方法，本发明的制备方法工艺简单，充分利用生物废料，为能够将稻壳转化成高附加值的大容量超级电容器碳电极材料提供可能，同时也减少稻壳带来的环境污染。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

基于稻壳的高面积比容量三维多孔类石墨烯材料的制备方法，包括如下的步骤：