[发明专利]一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于电容材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法。本发明提供的石墨烯/活性炭复合材料，通过将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应制备得到，制备工艺简单、过程可控、易于规模化制备；制备的石墨烯/活性炭复合材料比表面积高、导电性好，且具有微孔与介孔结合的层次孔结构，可以有效提高超级电容器电极材料的比电容、倍率特性和循环寿命。

技术领域

本发明属于电容材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种介于物理电容器和二次电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电效率高、循环寿命长以及使用工作温度宽等优点，已在电力、交通、工业等领域得到了应用。但目前与二次电池相比，超级电容器的能量密度偏低，从而限制了超级电容器的广泛应用。

电极材料是超级电容器的重要组成部分，是决定超级电容器性能的关键因素。活性炭电极材料由于其比表面积高、价格低廉，已经在超级电容器中实现商业化应用。但活性炭材料导电率低以及存在大量不规则的微孔结构，严重影响了超级电容器的功率密度和能量密度。石墨烯由于具有高的理论比表面积、高的导电性、化学稳定性好以及二维柔性结构等特点，被认为是一种优异的超级电容器电极材料。但石墨烯由于片层间具有强的π–π键和范德华力作用从而导致不可逆的团聚，致使石墨烯比表面积大大减少，进而可利用来吸附电解液离子的石墨烯活性表面减少，从而导致比电容偏低。因此，大量研究将石墨烯和活性炭结合起来，采用石墨烯与活性炭复合的方式，可以提高活性炭的导电性，同时还能有效缓解石墨烯的团聚现实，从而提高电极材料的比电容和倍率特性。例如，中国专利申请CN106206051A公开了一种石墨烯改性活性炭及其应用，将活性炭浸渍于氧化石墨烯去离子水分散液中，室温搅拌混匀，烘干，获得石墨烯改性活性炭，该材料在4A/g的电流密度下的比容量可达到22.32 F/g。马俐等(马俐.活性炭/石墨烯复合气凝胶的制备与电容性能[A].第31届全国化学与物理电源学术年会论文集[C].2015:1.)研究了活性炭/石墨烯复合气凝胶的制备与电容性能，具体为在氧化石墨烯的水溶液中加入高比表面积的活性炭，经一步水热处理得到活性炭(AC)/还原氧化石墨烯(rGO)复合气凝胶材料，该材料比表面积高达2400m²/g，在1mol/L TEABF4/PC有机电解液体系中 50mA/g电流密度下的比电容为145F/g，但在20A/g电流密度下只有96F/g。氧化石墨烯作为原料制备复合材料时，存在还原不彻底的问题，从而导致导电性差，而且上述方法只关注材料的比电容和电导率，这些直接体现电极材料性能的指标，对于电极材料的使用寿命等性能并不关注，此外倍率性能还需要进一步提高，以满足超级电容器高功率应用场合。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于弥补现有技术中的石墨烯/活性炭复合材料使用寿命低的缺陷，从而提供一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种石墨烯/活性炭复合材料的制备方法，包括，将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应的步骤，高温的温度为600-1800℃。

进一步地，还包括加入氧化镁的步骤。

进一步地，所述高温反应为自蔓延高温反应。

进一步地，将金属镁、氧化镁和活性炭置于高温炉，在600-1800℃，二氧化碳气氛中反应20-240min。

进一步地，还包括将反应后的混合物在酸性溶液中静置12-48h的步骤。

进一步地，还包括将在酸性溶液中静置后的产物洗涤至中性并干燥的步骤。

进一步地，所述干燥方式为50-100℃空气中干燥或冷冻干燥或喷雾干燥。

进一步地，所述金属镁和活性炭的质量比为1:0.01-10。