一種制備超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔炭納米片的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔 炭納米片的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能元件，又稱(chēng)電化學(xué)電容器或電雙層電容器，具有充放 電速率快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器的電極材料主要包括碳基材料、導(dǎo) 電聚合物和過(guò)渡金屬氧化物等。目前，商品化超級(jí)電容器的電極材料以碳基材料為主。多 孔炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和可調(diào)變的表面化學(xué)性質(zhì)，是超級(jí)電容器最早采用的電極材料之 一。多孔炭的形貌有片狀、球狀、蜂窩狀等。生產(chǎn)多孔炭的原料主要有煤瀝青、煤焦油、石油 瀝青、稻殼、花生殼等。這些碳源均廉價(jià)易得，但都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：分子組成和結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。從而導(dǎo)致了這些碳源在炭化過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)不能被有效的控制。
[0003]目前常規(guī)制備多孔炭的方法，不僅過(guò)程復(fù)雜，而且加熱炭化過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)可控 程度低，對(duì)環(huán)境污染大。因此，亟需一種環(huán)保、可控程度高的新方法以制備超級(jí)電容器用分 級(jí)多孔炭納米片。本專(zhuān)利首次采用了一種全新的原料一芴，作為碳源。芴，別稱(chēng)鄰聯(lián)苯甲 烷，是焦油的組分之一，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于富勒烯的一個(gè)小結(jié)構(gòu)單元，無(wú)毒無(wú)害。采用模板法可以 制備分級(jí)多孔炭。模板法中經(jīng)常采用的是二氧化硅等難以溶解的硬模板，在后期去除時(shí)需 采用氫氟酸洗滌，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染?；瘜W(xué)活化法中采用的活化劑主要是氫氧化鈉、氫氧 化鉀、碳酸鉀、氯化鋅等。其中，氫氧化鉀的活化效果最佳。因此，本發(fā)明首次提出了以芴為 碳源，以易于除去的、具有大的長(zhǎng)/厚比的氧化鎂納米片為模板，協(xié)同氫氧化鉀活化制備超 級(jí)電容器用分級(jí)多孔炭納米片的技術(shù)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有分級(jí)多孔炭納米片制備技術(shù)中存在的不足，提出了一種工藝簡(jiǎn) 單、反應(yīng)過(guò)程可控的制備超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔炭納米片的方法。
[0005] 該方法具體步驟如下：
[0006] (1)將一定質(zhì)量的芴和一定質(zhì)量的氧化鎂納米片放入研缽，研磨混合均勻，再將 一定質(zhì)量的氫氧化鉀放入研缽中研磨粉碎，最后將上述三種粉末混合均勻得到混合物；其 中，芴和氫氧化鉀的質(zhì)量比介于1/4~1/1之間；氧化鎂納米片和氫氧化鉀的質(zhì)量比介于 1/2~2/1之間；
[0007] (2)分級(jí)多孔炭納米片的制備：將步驟（1)所得混合物放入剛玉舟中，然后將所 述剛玉舟置于管式爐內(nèi)，預(yù)先通入氬氣將管式爐內(nèi)的空氣排凈，然后在氬氣氣氛下以5°C/ min的升溫速率將管式爐加熱至120°C，恒溫30min，繼續(xù)以5°C/min的升溫速率將管式爐 加熱至終溫900~950°C，恒溫60min后自然降至室溫。最后將得到的產(chǎn)物取出，研磨粉碎 后，經(jīng)過(guò)2M鹽酸洗滌除去模板，蒸餾水洗滌至中性，干燥24h后研磨，得到超級(jí)電容器用分 級(jí)多孔炭納米片。
[0008] 所得分級(jí)多孔炭納米片的比表面積介于1581~2550m2/g之間，總孔孔容介于 0. 88~1. 57cm3/g之間，平均孔徑介于2. 24~2. 40nm之間，微孔孔容介于0. 68~1. 06cm3/ g之間。本發(fā)明通過(guò)加熱使納米尺寸的芴分子液化形成薄層，隨后，芴分子中的碳-氫鍵斷 裂，形成活潑的自由基，接著，這些活潑的自由基發(fā)生聚合和芳構(gòu)化反應(yīng)，最終制得微米尺 寸的分級(jí)多孔炭納米片。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
[0010] 1、在原料處理過(guò)程中采用干法混合研磨，隨后，直接合成芴基分級(jí)多孔炭納米片， 工藝簡(jiǎn)單，能耗低；
[0011] 2、納米氧化鎂作為模板劑，易于除去，且可回收再利用；
[0012] 3、采用芴作為碳源，其分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程可控；
[0013] 4、所得芴基分級(jí)多孔炭納米片具有較大且薄的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，較薄的炭納米片上有 淺的微孔，作為超級(jí)電容器電極材料能顯著提高離子的傳輸速率，有效提高了超級(jí)電容器 的速率性能；長(zhǎng)度達(dá)微米的薄的納米片能增加電子的傳輸速率，降低電極材料的內(nèi)阻。在 〇.〇5A/g電流密度下，6M Κ0Η電解液中，以芴基分級(jí)多孔炭納米片作為超級(jí)電容器的電極材 料，其比容高達(dá)267F/g ;當(dāng)電流密度增大至100A/g時(shí)，其比容保持為205F/g，顯示了很高的 容量和優(yōu)異的速率性能。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1本發(fā)明實(shí)施例2、3、4制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片的氮吸脫附等溫線(xiàn)。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片的透射電鏡照片。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片的透射電鏡照片。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片的透射電鏡照片。
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)施例5制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片的透射電鏡照片。
[0019] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例2、3、4制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片的比容隨電流密度的變 化圖。
[0020] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例2、3、4制備的芴基分級(jí)多孔炭納米片電容器的可用能量密度 隨平均功率密度的變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但是本 發(fā)明要保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例說(shuō)明的范圍，應(yīng)當(dāng)理解成事例性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以在不違背本發(fā)明精神和范圍的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變和修改，所有這些改變和修改包括在 本發(fā)明范圍內(nèi)。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 荷基分級(jí)多孔炭納米片HPCNS5 1()5的具體制備過(guò)程如下：
[0024] (1)反應(yīng)物的研磨：將5g芴、10g氧化鎂納米片放入研缽，研磨混合均勻，再將5g 氫氧化鉀放入研缽研磨，最后將上述三種粉末混合均勻得到混合物。
[0025] (2)芴基分級(jí)多孔炭納米片的制備：將步驟（1)所得混合物放入剛玉舟中，然后 將所述剛玉舟置于管式爐內(nèi)，預(yù)先通入氬氣將管式爐內(nèi)的空氣排凈，然后在氬氣氣氛下， 以5°C/min的升溫速率將管式爐加熱至120°C，恒溫30min，繼續(xù)以5°C/min的升溫速率 將管式爐加熱至終溫900°C，恒溫60min后自然降至室溫。將所得到的產(chǎn)物取出，放入燒 杯中，向燒杯中加入2M的稀鹽酸洗滌，磁力攪拌并超聲震蕩，除去模板，在室溫下靜置24h 后，用80-85°C蒸餾水洗滌至中性，干燥24h后研磨，所得芴基分級(jí)多孔炭納米片標(biāo)記為 HPCNS5 10 5。
[0026] (3)HPCNS51Q5作為超級(jí)電容器電極材料，在0· 05A/g電流密度下，在6MΚ0Η電解 液中，其比容為194F/g;當(dāng)電流密度增大至100A/g時(shí)，其比容保持為148F/g。
[0027] 實(shí)施例2
[0028] 荷基分級(jí)多孔炭納米片HPCNS5 1()i。的具體制備過(guò)程如下：
[0029] (1)按照與實(shí)施例1中的步驟⑴同樣的方法實(shí)施。不同之處在于，氫氧化鉀的質(zhì) 量為10g。
[0030] (2)芴基分級(jí)多孔炭納米片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟⑵同樣的方法實(shí) 施。所得荷基分級(jí)多孔炭納米片標(biāo)記為hpcns5 1() 1()。
[0031] (3)HPCNS5 1(]1(]作為超級(jí)電容器電極材料，在0. 05A/g電流密度下，在6MΚ0Η電解 液中，其比容為180F/g;當(dāng)電流密度增大至100A/g時(shí)，其比容保持為142F/g。
[0032] 實(shí)施例3
[0033] 荷基分級(jí)多孔炭納米片HPCNS5 1() 15的具體制備過(guò)程如下：
[0034] (1)按照與實(shí)施例1中的步驟⑴同樣的方法實(shí)施。不同之處在于，氫氧化鉀的質(zhì) 量為15g。
[0035] (2)芴基分級(jí)多孔炭納米片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟⑵同樣的方法實(shí) 施。所得荷基分級(jí)多孔炭納米片標(biāo)記為HPCNS5 1() 15。
[0036](3)HPCNS51Q1Q作為超級(jí)電容器電極材料，在0. 05A/g電流密度下，在6MΚ0Η電解 液中，其比容為267F/g;當(dāng)電流密度增大至100A/g時(shí)，其比容保持為205F/g。
[0037] 實(shí)施例4
[0038] 荷基分級(jí)多孔炭納米片HPCNS5 1() 2。的具體制備過(guò)程如下：
[0039] (1)按照與實(shí)施例1中的步驟⑴同樣的方法實(shí)施。不同之處在于，氫氧化鉀的質(zhì) 量為20g。
[0040] (2)芴基分級(jí)多孔炭納米片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟⑵同樣的方法實(shí) 施。所得荷基分級(jí)多孔炭納米片標(biāo)記為hpcns5 1() 2。。
[0041](3)HPCNS51(]2。作為超級(jí)電容器電極材料，在0. 05A/g電流密度下，在6MΚ0Η電解 液中，其比容為186F/g;當(dāng)電流密度增大至100A/g時(shí)，其比容保持為121F/g。
[0042] 實(shí)施例5
[0043] 荷基分級(jí)多孔炭納米片HPCNS51() 15 95。的具體制備過(guò)程如下：
[0044] (1)按照與實(shí)施例1中的步驟⑴同樣的方法實(shí)施。不同之處在于，氫氧化鉀的質(zhì) 量為15g。
[0045] (2)芴基分級(jí)多孔炭納米片的制備：按照與實(shí)施例1中的步驟⑵同樣的方法實(shí) 施。不同之處在于，加熱終溫為950°C。所得芴基分級(jí)多孔炭納米片標(biāo)記為HPCNS51Q15 95。。
[0046](3)HPCNS51Q2。95。作為超級(jí)電容器電極材料，在0· 05A/g電流密度下，在6MΚ0Η電 解液中，其比容為160F/g;當(dāng)電流密度增大至100A/g時(shí)，其比容保持為122F/g。
[0047] 實(shí)施例2~4所得芴基分級(jí)多孔炭納米片的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。
[0048] 表1實(shí)施例2~4所得芴基分級(jí)多孔炭納米片的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0049]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種制備超級(jí)電容器用荷基分級(jí)多孔炭納米片的方法，其特征在于，該方法具體步 驟如下： (1)反應(yīng)物的研磨：將芴和氧化鎂納米片放入研缽，研磨混合均勻，再將氫氧化鉀放入 研缽中研磨粉碎，最后將上述三種粉末混合均勻得到混合物； 其中：芴和氫氧化鉀的質(zhì)量比介于1/4~1/1之間；氧化鎂納米片和氫氧化鉀的質(zhì)量 比介于1/2~2/1之間； ⑵芴基分級(jí)多孔炭納米片的制備：將步驟⑴所得混合物放入剛玉舟中，然后將所 述剛玉舟置于管式爐內(nèi)，預(yù)先通入氬氣將管式爐內(nèi)的空氣排凈，然后在氬氣氣氛下以5°C/ min的升溫速率將管式爐加熱至120°C，恒溫30min，繼續(xù)以5°C/min的升溫速率將管式爐 加熱至終溫900~950°C，恒溫60min后自然降至室溫。最后將得到的產(chǎn)物取出，研磨粉碎 后，經(jīng)過(guò)鹽酸、蒸餾水洗滌至中性，干燥24h后研磨，得到超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔炭納 米片。2. 如權(quán)利要求1所述的一種制備超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔炭納米片的方法，其特征 在于，在步驟（1)中，所述芴的質(zhì)量為5g，氧化鎂納米片的質(zhì)量為10g，氫氧化鉀的質(zhì)量為 15g;在步驟（2)中，將管式爐加熱至終溫900°C。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種制備超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔炭納米片的方法，屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該方法是以芴為碳源，氧化鎂納米片為模板，氫氧化鉀為活化劑，三者研磨混勻后轉(zhuǎn)移至剛玉舟中，置于管式爐內(nèi)進(jìn)行加熱，直接制得超級(jí)電容器用芴基分級(jí)多孔炭納米片。所得多孔炭納米片比表面積介于1581～2550m2/g之間，平均孔徑介于2.24～2.40nm之間；作為超級(jí)電容器電極材料，在0.05A/g電流密度下，在6M？KOH電解液中，其比容高達(dá)267F/g；當(dāng)電流密度為100A/g時(shí)，其比容保持為205F/g，表現(xiàn)出很高的容量和優(yōu)異的倍率性能。本發(fā)明直接以芴為碳源，具有工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)過(guò)程可控、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】C01B31/02, B82Y40/00, H01G11/36
【公開(kāi)號(hào)】CN105417521
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511004433
【發(fā)明人】何孝軍, 汪靜嫻, 邵小龍
【申請(qǐng)人】安徽工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月28日