[发明专利]一种超级电容器用褶皱的石墨烯纳米片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种超级电容器用褶皱的石墨 烯纳米片的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种基于电池与传统电容器之间的一种新型储能器件，因其 具有充放电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽、功率密度高等优点，受到 越来越多的关注。众所周知，超级电容器的性能主要取决于电极材料。

石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，其基本结构是由碳原子以sp²杂化键 合形成的苯六元环。因其超高的比表面积(2630m²/g)、良好的导电性、极好的稳 定性等优点受到了越来越多的关注。然而，传统的石墨烯纳米片之间由于范德 华力引力容易形成不可逆的团聚或片与片之间的堆积，导致有效比表面积降低。

为解决这个问题，人们开展了大量的研究工作，如，设计碳纳米管、碳纳 米笼、“三明治”结构的石墨烯片，但这些工作成本高、相当费时。褶皱的石墨 烯纳米片因其含有大量的褶皱，可以阻止了片与片之间的堆积，使其有效比表 面积增加，有望成为高性能超级电容器用电极材料。

石油沥青作为炼油厂的富产物，富含多环芳香性结构单元。鉴于石油沥青 原料来源丰富、廉价易得等优点，我们以石油沥青为碳源，直接制备高性能超 级电容器用褶皱的石墨烯纳米片，不仅可以大大降低褶皱的石墨烯纳米片的生 产成本，而且可为石油沥青的高附加值利用找到一条新的路径。我们知道，当 石油沥青发生热解时，芳香性结构上的侧键C-C键或者C-H键断裂形成活泼的 自由基，随后这些活泼的自由基发生自组装/聚合，形成更大的碳片，最后通过 芳香化使得碳片失去H原子，再经高温裂解形成褶皱的石墨烯纳米片。

发明内容

本发明针对现有石墨烯纳米片制备技术复杂、成本高等不足，提出了一种 简单、低成本制备超级电容器用褶皱的石墨烯纳米片的制备方法。

该方法具体步骤如下：

(1)反应物的预处理：将石油沥青放入研钵中，再加入片状纳米氧化镁 混合研磨，然后加入研磨好的氢氧化钾继续研磨，直至混合均匀得到混合物。 其中，石油沥青的质量占石油沥青、纳米氧化镁和氢氧化钾三者总质量的 7.4％～11.1％，石油沥青的质量与氢氧化钾的质量比为1/3～1/2；

(2)褶皱的石墨烯纳米片的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉瓷 舟中，然后将所述刚玉瓷舟置于管式炉内，在流动的氩气气氛下将管式炉加热 至200℃，恒温30min，紧接着将管式炉加热至终温800～900℃，恒温1h后自然 降至室温，将得到的产物取出、研磨粉碎后，经稀盐酸和蒸馏水洗涤至中性， 过滤干燥后得到超级电容器用褶皱的石墨烯纳米片。

作为一种优化，在步骤(1)中，所述石油沥青的质量为3g，纳米氧化镁的 质量为18g，氢氧化钾的质量为6g；在步骤(2)中，将管式炉加热至终温800℃。

本发明的科学原理：

与现有的以氧化锌为模板制备的石油沥青基炭材料的方法相比，本发明所 用的模板是片状的纳米氧化镁，这种氧化镁具有很大的长径比，制备的是石墨 烯纳米片；而现有的方法是以颗粒状纳米氧化锌为模板，其长径比很小，制备 的是壳状的炭材料。此外，片状纳米氧化镁性能稳定，不参与反应，而纳米氧 化锌参与反应。

该发明是以富含多环芳香性结构单元的石油沥青为碳源，分别以片状纳米 氧化镁和氢氧化钾为模板剂和活化剂，三者混合均匀后将混合物转移至刚玉瓷 舟中，置于管式炉内采用常规加热，直接制得褶皱的石墨烯纳米片。本发明制 备的褶皱的石墨烯纳米片的比表面积介于2095～2214m²/g之间，总孔容介于 1.23～1.28cm³/g之间。本发明以富含多环芳香性结构单元的石油沥青为碳源，以 片状纳米氧化镁和氢氧化钾为模板剂和活化剂，直接制备褶皱的石墨烯纳米片， 省去了现有技术制备石墨烯纳米片的繁琐步骤。

与现有技术相比，该发明具有以下优点：

1、以石油沥青为碳源，原料来源丰富、廉价易得，且富含多环芳香性结构 单元，拓展了石油化工副产物石油沥青的利用途径，实现了石油沥青的高附加 值利用；

2、直接从石油沥青制备超级电容器用褶皱的石墨烯纳米片，工艺简单，成 本低；