一種用于電容器電極的碳氮復合海綿體材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微納米結構材料制備技術領域，特別涉及碳氮基海綿負載石墨烯用于超級電容器電極材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]當前，隨著社會經濟的快速發展，能源短缺問題越來越引起人們的高度關注。持續高效的能量儲存裝置以及快速的充放電能力越來越重要。超級電容器作為一種新型儲能器件，具有比傳統電容器大得多的能量密度和比電池高得多的功率密度。優秀的超級電容器電極材料即要求高的導電性，也要求高的電荷存儲能力。金屬氧化物和導電聚合物盡管有著來源于表面電化學反應的優秀電容性能，但其導電性較差，且部分氧化物價格昂貴。同時，其穩定性也不高，這極大地制約了其在超級電容器中的推廣應用。目前廣泛應用的電容器電極材料集中在碳材料上。碳材料有著較好的導電性，經濟便宜，穩定性好，其存儲電荷的能力在于其對電荷的吸附作用。因此，高性能碳基電容器電極材料要求多孔性，大的比表面積。
[0003]自2004年成功制備出石墨烯后，人們開始嘗試把這種二維平面結構的Sp2雜化的碳材料應用在超級電容器中。由于石墨烯是剝離開的單層或少層數石墨，其表面可以看做雙電層，因而將石墨烯應用于超級電容器有其獨特的優勢。但由于石墨烯高的比表面積，在固態下極易疊聚重新形成石墨，不利于其電容性能。
[0004]碳基海綿體的特征是具有連續多孔的結構，具有耐油、耐磨擦、耐腐蝕、拉伸強度好，無不良氣味、氣孔均勻、手感細膩，且可任意切割成不同大小等優點，因此非常適合用于電容器電極材料。
[0005]為此，本發明以密胺海綿和氧化石墨烯為原材料，通過簡易的化學轉化途徑得到了碳氮基海綿體負載還原氧化石墨烯的復合結構。該復合結構材料具有顯著的優點。1.具有較大的表面積，并且其密度比較低。2.復合結構仍然具有豐富多孔結構，有利于帶電粒子在其中迀移。3.原料經濟便宜，制備工藝流程短。所得復合結構用于超級電容器顯示了較高的比電容特性，因此有望應用于生產實際。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種用作超級電容器電極材料的碳氮基海綿體復合微納結構的制備方法。該制備方法原料經濟便宜，操作簡單，工藝流程短，對設備要求低，且易于規模化，具有實際應用潛力。
[0007]本發明采用技術方案如下:
[0008]I)稱取由Hrnnmer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨烯分散液；
[0009]2)將密胺海綿完全浸泡于步驟(I)制得的氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，取出海綿，放置于干凈的表面皿上，室溫下自然晾干或40-120°C下烘干，得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構；
[0010]3)將步驟(2)所得干燥的復合結構，在惰性氛圍下，程序升溫至煅燒溫度，煅燒結束后，自然降溫后，即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合材料。
[0011]步驟(I)中，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為0.2?3.0g/L。
[0012]步驟(3)中，所述惰性氛圍為N2保護或Ar保護。
[0013]步驟(3)中，所述程序升溫的升溫速度為0.5-20 0C /min。
[0014]步驟(3)中，所述煅燒溫度為300-800 °C，煅燒時間為10min_3h。
[0015]本發明所制備的碳氮基海綿負載石墨烯復合材料能夠用于超級電容器電極材料。
[0016]本發明的有益效果為:
[0017](I)工藝簡單易行、適合大規模生產，重復性好，無需復雜設備，易于工業化實施。特別是，所用原材料經濟易得。
[0018](2)本發明制備的負載片狀石墨烯的碳氮海綿微納米復合材料具有優異的電容性能，適合用于超級電容器電極材料。
【附圖說明】
:
[0019]圖1為本發明實施例1-4制備的碳氮基海綿負載石墨烯復合結構材料的掃描電鏡(SEM)照片；
[0020]圖2為本發明實施例3制備的碳氮基海綿負載石墨烯復合結構材料的紅外光譜圖；
[0021]圖3為本發明實施例3制備的碳氮基海綿負載石墨烯復合結構作為超級電容器電極材料在80mV s—1時的循環穩定性圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
[0023]實施例1:
[0024]I)稱取6mg由Hummer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入30mL去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨分散液。
[0025]2)取一塊合適大小的密胺海綿，將其完全浸泡于該氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，小心取出海綿，放置于干凈的表面皿上，室溫下自然晾干得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構。
[0026]3)將所得干燥的復合海綿體，在N2氛圍下煅燒，以0.5°C /min的升溫速度，從室溫升至300°C，并保持30mim，自然降溫后即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合結構。
[0027]根據實施例1制備的復合結構經掃描電鏡測試(圖1a)，可以看出所得碳氮海綿骨架均勾負載石墨稀納米片。
[0028]實施例2:
[0029]I)稱取45mg由Hummer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入30mL去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨分散液。
[0030]2)取一塊合適大小的密胺海綿，將其完全浸泡于該氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，小心取出海綿，放置于干凈的表面皿上，40°C下烘干得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構。
[0031]3)將所得干燥的復合海綿體，在Ar氛圍下煅燒，以10°C /min的升溫速度，從室溫升至800°C，并保持lOmim，自然降溫后即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合結構。
[0032]實施例3:
[0033]I)稱取60mg由Hummer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入30mL去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨分散液。
[0034]2)取一塊合適大小的密胺海綿，將其完全浸泡于該氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，小心取出海綿，放置于干凈的表面皿上，60°C下烘干得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構。
[0035]3)將所得干燥的復合海綿體，在N2氛圍下煅燒，以3°C /min的升溫速度，從室溫升至300°C，并保持3h，自然降溫后即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合結構。
[0036]圖2為實例3樣品的紅外吸收光譜。在1737CHT1處無明顯吸收峰，表明氧化石墨烯表面的多數含氧官能團在高溫度下脫水除去。在2921,2852(31^1處的吸收峰可歸屬于-CH2對稱和反對稱伸縮振動。在1565CHT1處的吸收峰可歸屬于石墨稀片層的骨架振動。
[0037]圖3為實施例3制備的碳氮基海綿負載石墨烯復合結構作為超級電容器電極的循環穩定性圖。在掃描速度為80mV/s時，對實例3樣品進行1000次循環的測量，經過1000圈循環以后，其比電容大小為121.6F/g，為首次循環比電容的95.5%，這充分表明了其優異的電化學性能。
[0038]實施例4:
[0039]I)稱取90mg由Hummer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入30mL去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨分散液。
[0040]2)取一塊合適大小的密胺海綿，將其完全浸泡于該氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，小心取出海綿，放置于干凈的表面皿上，80°C下烘干，得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構。
[0041]3)將所得干燥的復合海綿體，在N2氛圍下煅燒，以3°C /min的升溫速度，從室溫升至500°C，并保持30min，自然降溫后即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合結構。
[0042]根據實施例1-4制備的負載片狀石墨烯的海綿經掃描電鏡測試(圖1)，可以看出海綿上均勻負載石墨烯，且隨著濃度遞增，海綿骨架上富有的片狀石墨烯的量也依次增多。
[0043]實施例5:
[0044]I)稱取60mg由Hummer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入30mL去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨分散液。
[0045]2)取一塊合適大小的密胺海綿，將其完全浸泡于該氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，小心取出海綿，放置于干凈的表面皿上，120°C下烘干，得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構。
[0046]3)將所得干燥的復合海綿體，在Ar氛圍下煅燒，以20°C /min的升溫速度，從室溫升至600°C，并保持lh，自然降溫后即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合結構。
[0047]所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于電容器電極的碳氮復合海綿體材料的制備方法，其特征在于:具體包括如下步驟: (1)稱取由Hrnnmer方法制備的氧化石墨，置于燒杯中，向其中加入去離子水，攪拌均勻，超聲使其分散，得到氧化石墨烯分散液； (2)將密胺海綿完全浸泡于步驟(I)制得的氧化石墨烯分散液中，攪動、擠壓，使其充分吸收，直到海綿體充滿分散液，取出海綿，放置于干凈的表面皿上，室溫下自然晾干或40-120°C下烘干，得到密胺海綿負載氧化石墨烯復合結構； (3)將步驟(2)所得干燥的復合結構，在惰性氛圍下，程序升溫至煅燒溫度，煅燒結束后，自然降溫后，即得到碳氮基海綿負載石墨烯復合材料。
2.如權利要求1所述的碳氮復合海綿體材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為0.2?3.0g/L。
3.如權利要求1所述的碳氮復合海綿體材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，所述惰性氛圍為N2保護或Ar保護。
4.如權利要求1所述的碳氮復合海綿體材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，所述程序升溫的升溫速度為0.5-20 0C /min。
5.如權利要求1所述的碳氮復合海綿體材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，所述煅燒溫度為300-800 °C，煅燒時間為10min-3h。
【專利摘要】本發明屬于納米復合材料領域，涉及一種碳氮基海綿負載石墨烯復合結構材料的制備方法。主要步驟是將密胺海綿浸泡于氧化石墨烯分散系中，待密胺海綿充分吸附氧化石墨烯片后，取出晾干。將所得干燥海綿，在惰性氛圍下煅燒處理，制備得碳氮基海綿負載石墨烯復合結構材料。本制備方法工藝簡單易行，流程短，重復性好，成本低，易于工業化實施。本發明制備的碳氮復合材料中，碳氮海綿骨架上負載有不疊聚的片狀石墨烯，所得復合結構具有高比表面積、均勻的多孔性結構、表觀密度低等優點。將其應用于超級電容器電極材料，該復合材料顯示了優秀的循環穩定性，高的比電容等優點。經1000次循環后，比電容可達首次比電容的95％，有望用作超級電容器電極材料。
【IPC分類】H01G11-86
【公開號】CN104576085
【申請號】CN201410745228
【發明人】朱俊, 朱國興, 奚春燕, 沈小平
【申請人】江蘇大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月8日