[发明专利]一种碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料的制备方法及超级电容器

说明书

本发明公开了一种碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料的制备方法及超级电容器，包括以下步骤：步骤S1，得到细菌纤维素；步骤S2，制备碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料，经过冷冻干燥后，得到碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料。采用本发明的技术方案，细菌纤维素作为碳纳米管的支撑骨架，与传统碳纳米管气凝胶材料结构脆且易散架相比，新型碳纳米管气凝胶材料具有很好的结构稳定性。该技术方案可以提供一种具有很好结构稳定性的新型碳纳米管气凝胶材料的制备方法。

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种结构稳定的碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料的制备方法及超级电容器。

背景技术

随着经济的增长和人们生活质量的提高，对能源消费的需求大幅增加。然而，常规能源通常是不可再生的，这就存在着现有资源储量的枯竭和价格升高以及对气候和环境的不利影响等问题。因此，有必要开发环保型可再生能源以及能量存储。在几种方案中，锂硫电池和超级电容器作为储能设备得到了广泛的研究。锂硫电池具有较高的能量密度，但功率密度较低。与锂硫电池相比，超级电容器可以提供更高的功率密度，因为其电荷存储是基于电极材料的表面反应，而不是在材料体内的离子扩散。

细菌纤维素与天然纤维素具有相同的分子结构单元，具有良好的生物可降解性，且细菌纤维素具有更高的结晶度以及聚合度。不仅如此，细菌纤维素还具有超精细的网状结构、超高的弹性模量以及较强的持水能力，即使在经过冷冻干燥后其持水能力依然高于600％。虽然细菌纤维素性质优良，但也存在机械性能及导电性能的欠缺，影响了其发展和应用。

碳纳米管是一种具有独特结构的量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。其不仅具有非常高的比表面积，还有着优异的导电性能和良好的机械性能，自问世以来便备受电化学领域的关注，是制造超级电容器电极的理想材料。然而，传统方法制备的碳纳米管气凝胶容易散掉，而且结构很脆。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种结构稳定的碳纳米管/细菌纤维素气凝胶制备方法，基于细菌纤维素制备复合材料，将碳纳米管分散于去离子水中搅拌，后经水浴加热搅拌使分散液填充入细菌纤维素中，得到碳纳米管/细菌纤维素水凝胶，将其冷冻干燥，即得到成品碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料。该方法制备得到的碳纳米管气凝胶具有很好的结构稳定性，而且制备的过程中不需要添加黏合剂，可应用于超级电容器的电极材料的制备。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，得到细菌纤维素；

步骤S2，基于细菌纤维素制备碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料，经过冷冻干燥后，得到碳纳米管/细菌纤维素气凝胶材料；

其中，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

S10：将细菌纤维素水凝胶置于去离子水中，并多次更换去离子水以去除细菌纤维素水凝胶中的杂质；

S11：将浸泡过的细菌纤维素水凝胶平铺展开，去除掉水凝胶中的水，得到细菌纤维素；

所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S20：将碳纳米管分散于去离子水中，搅拌均匀后得到碳纳米管分散液；

S21：将细菌纤维素放入碳纳米管分散液中，于27～60℃水浴搅拌使细菌纤维素充分吸收该分散液，得到碳纳米管/细菌纤维素水凝胶；

S22：将细菌纤维素水凝胶放入冷冻干燥机中，经过一定时间的冷冻和干燥后取出，即得到成品碳纳米管/细菌纤维素气凝胶复合材料。

作为进一步的改进方案，在步骤S10中，选用的细菌纤维素水凝胶厚度为0.5厘米，每隔12小时更换去离子水。