[发明专利]多级孔结构三维碳纳米网超电容电极材料的模板制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级孔结构三维碳纳米网络超级电容器电极材料的模板制备方法，属于超级电容器电极材料制备技术。

背景技术

超级电容器是一种介于二次电子和电容器间的新型储能元件。它既具有比传统电容器高的能量密度，又具备比二次电子高的功率密度，且具有良好的循环稳定性和超长的寿命。因此其在电力、军事、航空航天等众多领域具有广泛的前景。以碳材料作为电极材料的超级电容器又称电化学双层电容器，其工作原理是在充放电的瞬间，在电极材料与电解液表面形成电荷相反的电荷层，通过电荷的吸附脱附完成充放电过程。

作为超级电容器的电极材料，需要兼具较大的比表面积、稳定的电化学性能、较高的导电性等特性。纳米碳材料的广泛研究为超级电容器的发展提够了可能。一维的单壁碳纳米管的理想比表面积高达1300m²/g，且沿管壁方向具备良好的导电性能，可在超级电容器中获得较好的电化学性能。二维的活性炭1000-2000m²/g的超高比表面积及2-5nm的孔径分布为形成双电层提供了充分的空间，从而在有机溶剂中获得了100-120F/g的容量值；石墨烯单层的碳结构使其理论比表面积高达2630m²/g，且其特有的sp²杂化结构使其具有优越的导电性能，因此理论容量高达550F/g。然而在实际生产中二维材料的理论比表面积无法达到，限制了其应用。而三维网络状碳结构不仅可提供较大的比表面积，其稳定的结构也为超级电容器长循环工作提供了保障。

目前的三维碳纳米网络材料的制备方法主要分为两大类，一类是利用网状材料基体直接制备而成，另一种在模板上合成网状结构。

从以上的制备过程可以看出，目前合成三维碳纳米网络材料时，对反应物或模板的选取要求比较高，且部分合成方法制备工艺复杂，过程不易控制，从而导致了合成材料的成本比较高，且不适合大量生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种以NaCl为模板KOH原位活化三维多孔碳纳米网络超级电容器电极材料的制备方法。该方法制备的碳纳米结构具有层级孔结构以及较大的比表面积，可在超级电容器、锂离子电池负极材料等领域有广泛的应用。本发明是通过以下技术方案实现的，

一种多级孔结构三维碳纳米网超电容电极材料的模板制备方法，其特征在于包括以下过程：

1)用去离子水溶解葡萄糖、硝酸铁和氯化钠，得到含葡萄糖浓度在0.02～0.04g/mL，含硝酸铁浓度在0.015～0.025g/mL，含氯化钠浓度在0.25～0.35g/mL的混合溶液；按照KOH与硝酸铁的物质的量5:1～10:1的比例，滴加6mol/L的稀KOH溶液后搅拌均匀，制得混合溶液；

2)对1)制得的混合溶液冷冻干燥，得到均匀混合的固态物质，经研磨后得到粒径均匀的混合物粉末前躯体样品；

3)将步骤2)制得的前躯体样品置于管式炉恒温区，在氩气气氛下，以5～10℃/min的加热速率升温至250～350℃保温1～2h，之后再以5～10℃/min的加热速率加热至600～800℃保温2～4h，之后随炉冷却至室温，经研磨得到灰黑色粉末；

4)将步骤3)制得的灰黑色粉末分散于去离子水中得到悬浊液，对悬浊液进行抽滤，得到黑色物质，用去离子水洗涤，洗涤至洗涤液中无氯化钠为止，之后于温度60～80℃下干燥5～8h，得到黑色粉末；

5)将步骤4)制得的黑色粉末加入到质量分数为37％的盐酸中，配制成含黑色粉末浓度为1～1.5mg/mL的悬浊液，在温度70～95℃下水浴加热回流3～5h，对所得悬浊液进行抽滤，并用去离子水冲洗，冲洗至洗涤液中无氯离子为止，之后于温度60～80℃干燥5～8h，即得到多级孔结构三维碳纳米网络超级电容器电极材料。

本发明具有以下优点：本发明利用廉价易得的原料成功的制得多级孔结构三维碳纳米网络超级电容器电极材料，制备成本低廉，过程简单易行，可连续化宏量生产。所得产物成分均匀、易于提纯，具有明显的三维网络结构，且具有石墨化程度高、比表面积大和多级孔结构特征明显的特点。该三维碳纳米网络作为超级电容器在1A/g的充放电电流下可达到208.0F/g的比容量值，循环5000次后保持在87％左右，且倍率性能良好，具有较高的稳定性，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的多级孔结构三维碳纳米网络超级电容器电极材料的SEM照片。

图2为本发明实施例1得到的多级孔结构三维碳纳米网络超级电容器电极材料整片的TEM照片。