[发明专利]一种高体积比电容石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高体积比电容石墨烯及其制备方法，具体涉及一种化学掺杂法制备具有高比表面积、高体积比电容的石墨烯及其制备方法，属于石墨烯材料的制备及应用领域。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料，具有超大的比表面积、优异的导电和导热性能，以及良好的化学稳定性。这些良好的性质使得基于石墨烯的材料成为一种理想的储能材料，包括超级电容电极材料、锂离子电池电极材料、储氢材料、燃料电池用材料等。

超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、经济环保等优点，广泛应用于各种能源领域。碳材料，特别是sp2杂化的碳材料，由于其特殊的层状结构、超大的比表面积而成为重要储能装置的电极材料。碳材料如无定形碳、多孔碳、石墨等已经广泛地应用于锂离子电池中。

石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，使得石墨烯作为电容器材料具有其他多孔碳材料更优异的性质，使其有望成为超级电容器的理想电极材料，其性能与石墨烯的质量、层数和比表面积直接相关。有研究表明通过肼还原氧化石墨烯得到的石墨烯在含水电解质溶液中的比电容可高达205F/g，经过1200次的试验后其比电容还仍达到原来的90%。由于纳米材料一般具有大的比表面积、小的尺寸效应，因而可以提高电容器的质量比电容比容量，但其相对的体积比电容较低，对于储能材料来说，要达到一定的存储量就需要很大的体积，限制了其发展。

由此，对于高比表面积的石墨烯，石墨烯的单位体积质量对石墨烯超级电容器的电学、化学等方面性能有着重要的影响，如何开发出一种成本较低，体积比电容高，循环性能好且适合电解质迁移的高比表面石墨烯的制备方法，是本领域的一个亟待解决的问题

发明内容

现有技术中，由于石墨烯自身的性质决定，无论化学氧化还原法还是CVD法，所制备的石墨烯的单位体积质量都很小，本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种提石墨烯体积比电容的方法。针对石墨烯体积比电容小，无法应用于大容量的超级电容器等电学器件的问题，本发明提出一种高体积比电容的石墨烯，以期能够有效解决该问题。

本发明的目的之一是提供一种石墨烯，所述石墨烯片层中掺杂有活性炭。

本发明在石墨烯中掺杂活性炭，可以有效地增加石墨烯的密度，提高石墨烯的体积比电容。本发明为提高石墨烯的体积比电容提出了一种新的解决思路，为进一步提高超级电容等电器元件的电容提供了条件。本发明提供的石墨烯具有比表面积大、质量比电容高，且体积比电容高的特点。

优选地，所述活性炭由碳源物质活化后获得，所述碳源物质优选自淀粉、木屑、木炭、椰壳、煤炭、果壳或石油焦中的任意1种或至少2种的组合，所述组合例如淀粉/木炭的组合、椰壳/煤炭的组合、木屑/果壳/木炭的组合等，进一步优选木炭和/或石油焦，特别优选木炭。

本发明向氧化石墨烯活化过程中，外加碳源物质，在高温下碳源物质分解并掺杂在石墨烯中，得到掺杂有活性炭的石墨烯，从而使得所制备的石墨烯材料的体积比电容量得到很大提高，使得相关的能量密度大幅提高。

优选地，所述活化为高温活化，所述高温活化温度为500～1500℃，例如510℃、620℃、650℃、730℃、790℃、854℃、885℃、906℃、948℃、980℃、1050℃、1100℃、1350℃、1480℃、1500℃等，优选活化时间为0.5～5h，例如0.6h、0.9h、1.3h、1.7h、2.5h、2.9h、3.4h、3.8h、4.5h、4.7h等。

优选地，所述石墨烯的比表面积≥1500m²/g，例如1530m²/g、1580m²/g、1600m²/g、1630m²/g、1680m²/g、1700m²/g、1900m²/g、2300m²/g、2800m²/g、2900m²/g等，优选为1500～3000m²/g。