[发明专利]多级次孔碳气凝胶材料、超级电容器电极材料及制法

说明书

本发明涉及电容器制备领域，具体涉及多级次孔碳气凝胶材料、超级电容器电极材料及制法。该多级次孔碳气凝胶材料以石墨烯气凝胶为骨架，ZIF‑8衍生碳为修饰微粒；其中，所述ZIF‑8衍生碳与石墨烯气凝胶的质量比为2：1～6：1，所述ZIF‑8衍生碳的含氮量为5％～15％，直径为0.6～1.2μm。本发明结合了石墨烯气凝胶和金属有机框架ZIF‑8衍生碳的优势，克服当前超级电容器用电极材料在孔结构和表面功能化方面的技术缺陷，该材料具有微孔‑介孔‑大孔的多级次孔结构和均匀分布的氮原子掺杂，同时兼具孔隙丰富、导电性好和双电层电容‑赝电容复合等优势，是一种前景良好的超级电容器用电极材料。

技术领域

本发明涉及电容器制备领域，具体涉及多级次孔碳气凝胶材料、超级电容器电极材料及制法。

背景技术

随着经济的不断发展，人类社会对高性能储能设备的需求日益增加，超级电容器以其容量大、充电速度快、循环寿命长等优势受到越来越多的关注。根据不同的电荷存储过程，超级电容器可分为法拉第赝电容器和电化学双层电容器。赝电容器通过电极材料的氧化还原反应来储存电能，虽然赝电容材料具有较高的比电容，但其速率稳定性和长循环性能往往不理想。在双电层电容器中，电荷以双电层的形式吸附在纳米孔表面实现能量存储。与赝电容材料相比，碳材料具有良好的物理化学稳定性和高导电性，使其成为平衡储能能力和倍率性能的潜在电极材料。以往的研究表明，微孔在提高比电容方面起着主导作用，而中孔和大孔是离子快速充放电的输运通道(M.Salanne,B.Rotenberg,K.Naoi,K.Kaneko,P.L.Taberna,C.P.Grey,B.Dunn,P.Simon,Efficient storage mechanisms for buildingbetter supercapacitors,Nat.Energy 1(2016)16070；M.J.Zhi,F.Yang,F.K.Meng,M.Q.Li,A.Manivannan,N.Q.Wu,Effects of pore structure on performance of anactivated-carbon supercapacitor electrode recycled from scrap waste tires,ACSSustainable Chem.Eng.2(2014)1592-1598)。因此，开发新型超级电容器电极材料的关键在于提高离子可接触比表面积和构建利于电荷快速传输的三维多级次孔碳材料。

与活性炭、碳纤维/纳米管等传统碳材料相比，石墨烯具有独特的二维层状结构，通过组装过程可形成三维(3D)骨架，即三维石墨烯气凝胶。三维石墨烯气凝胶(GA)具有与二维石墨烯壁相互连接的大孔，不仅克服了石墨烯在循环过程中的聚集问题，而且为其他材料原位生长形成复合结构提供了丰富的表面。以三维石墨烯气凝胶作为基体构建的三维石墨烯基复合材料因其高导电性、良好机械稳定性和可程序化的表面功能性，被广泛应用于储能、传感、光学和催化等领域(G.Zhou,E.Paek,G.S.Hwang,A.Manthiram,High-performance lithium-sulfur batteries with a self-supported,3D Li₂S-dopedgraphene aerogel cathodes,Adv.Energy Mater.6(2016)1501355)。三维石墨烯气凝胶提供了大孔基体，通过引入介孔和微孔，形成三维多级次孔石墨烯基复合材料，为进一步提升超级电容器的储能性能提供了潜在的电极材料。