[发明专利]石油焦基石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米碳材料技术领域，具体涉及石油焦基石墨烯及其制备方法和应用。包括以下步骤：(1)将蒙脱土超声分散于去离子水中，加入十六烷基三甲基溴化铵，在搅拌条件下水热反应后，过滤洗涤干燥，得到十六烷基三甲基溴化铵改性的蒙脱土；(2)将步骤(1)所得十六烷基三甲基溴化铵改性的蒙脱土溶于氢氧化钠溶液中，然后加入石油焦基双亲性碳质材料，在反应釜中水热反应后，过滤洗涤干燥；(3)将步骤(2)所得固体放入到管式炉中在氩气气氛下高温碳化，最后先后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液洗涤，得到石油焦基石墨烯。可用作超级电容器的电极材料，在碱性电解液中，表现出大的比电容、高的倍率性、高的电化学稳定性的优点。

技术领域

本发明属于纳米碳材料技术领域，具体涉及石油焦基石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

进入21世纪以来，可再生能源受到广泛关注。由于可再生能源受地区和气候条件影响较大，具有间歇性的特点，导致产能不稳定，并网发电困难，因而急需高能量密度和功率密度的储能器件。超级电容器是一种新型储能元件，也被称为电化学电容器。与其他储能器件相比，超级电容器功率密度高，充放电速度快，循环寿命长，安全环保，得到了科学家的广泛研究，可以应用在便携式电子产品、可再生制动系统、能源管理、即时开关等方面。

超级电容器的电极材料以碳材料为主。与零维、一维的碳材料相比，相同质量条件下，二维的碳材料可以提供更大的比表面积，提供更多的活性位点，而且二维的碳材料相互连接形成网络，具有开放的孔隙结构，有利于物质的快速吸附和传递。石墨烯是一种典型的二维碳材料，其双侧表面都可以形成双电层。优异的力学性能、高的导电性、大的比表面积和高的化学稳定性，使得石墨烯作为超级电容器电极材料具有巨大的潜力。

石油焦是一种炼化企业副产品，随着我国加工原油重质化趋势，我国石油焦产量逐年增加，石油焦的开发利用成为炼油行业的难题。石油焦具有含碳量高、灰分少、价格低廉的优点，且石油焦由大量的稠环芳烃组成，结构致密，含有大量的石墨微晶结构，非常适合作为先进碳材料的前驱体，但是其不溶于任何有机溶剂，限制了其高附加值利用。石油焦经过浓硫酸和浓硝酸氧化后，可以得到双亲性碳质材料。其制备的双亲性碳质材料含有许多含氧官能团，可以溶于碱性溶液和部分的有机溶剂，为制备先进碳材料奠定了基础。本申请以石油焦为原料制备石墨烯作为超级电容器的电极材料，不仅实现了石油焦的增值利用，而且提供了一类有潜力的超级电容器电极材料。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供石油焦基石墨烯及其制备方法和应用，该方法利用石油焦为碳源，十六烷基三甲基溴化铵改性的蒙脱土为模板，在静电力作用下，碳源插入蒙脱土的层间形成复合物，高温碳化后，先后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液去除模板蒙脱土得到二维的石墨烯。石油焦含有大量的石墨微晶，在蒙脱土的层间限域作用下，通过调控碳源与模板剂质量比和碳化温度来控制二维石墨烯的微观结构，将其用作超级电容器的电极材料，从而影响其电化学性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种石油焦基石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

(1)将蒙脱土超声分散于去离子水中，加入十六烷基三甲基溴化铵，在搅拌条件下水热反应后，过滤洗涤干燥，得到十六烷基三甲基溴化铵改性的蒙脱土；

(2)将步骤(1)所得十六烷基三甲基溴化铵改性的蒙脱土溶于氢氧化钠溶液中，然后加入石油焦基双亲性碳质材料，在反应釜中水热反应后，过滤洗涤干燥；

(3)将步骤(2)所得固体放入到管式炉中在氩气气氛下高温碳化，最后先后用氢氧化钠溶液和盐酸溶液洗涤，得到石油焦基石墨烯。

所述步骤(1)中，蒙脱土分散于去离子水中所得的蒙脱土水溶液的浓度为0.01～0.04g/mL。

所述步骤(1)中，蒙脱土与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为4:1～2:1。

所述步骤(1)中，水热温度为50～90℃，水热时间为3～12h。