[发明专利]多孔石墨烯材料及其制备方法和超级电容器

说明书

本发明公开了多孔石墨烯材料及其制备方法和超级电容器。其中，制备多孔石墨烯材料的方法包括：(1)将碳材料进行研磨处理，得到研磨后碳材料；(2)将所述研磨后碳材料与催化剂、活化剂和水混合后进行干燥，得到反应物；(3)将所述反应物进行活化处理，得到活化产物；(4)将所述活化产物进行后处理，得到多孔石墨烯前体；以及(5)将所述多孔石墨烯前体进行煅烧处理，得到所述多孔石墨烯材料。该方法制备得到的多孔石墨烯材料比表面积大、灰分低，且具有平均粒径小和粒径分布均匀的优点。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体而言，本发明涉及多孔石墨烯材料及其制备方法和超级电容器。

背景技术

双电层电容器是超级电容器中的一种，它利用电极和电解液两相电化学势的不同而产生位垒，从而在电极表面形成电荷双电层，实现稳定的电荷储存。目前超级电容器的电极材料主要是比表面积较大的碳基材料，包括，活性炭、活性炭纤维和碳纳米管等。但是，上述碳基材料由于生产过程复杂、成本高、比电容低等问题，在超级电容器上的应用受限。

石墨烯具有比表面积大、拉伸强度高、导电导热性好、热膨胀系数低等特性，在电子元件、导电导热纳米复合材料、微电子、超级电容器等领域有良好的应用前景。目前，石墨烯的制备方法主要包括：氧化还原法、液相剥离法、化学气相沉积法。但上述石墨烯材料比表面积以及孔径结构难以满足超级电容器性能要求，并且成本高，制备工艺耗时、繁琐且难以规模化批量生产。

因而，现有的石墨烯材料仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对如下事实和问题的发现而提出的：

多孔石墨烯材料因其具有高导电性的石墨烯片层结构以及较大的比表面积和孔容、均一的孔径分布，在电化学储能特别是双电层电容器领域具有重要的应用价值。以煤炭或生物质等材料为碳源，利用其内部初步形成的类石墨烯片层结构及适量的催化金属，通过化学活化法可制得多孔石墨烯材料。然而，用于制造双电层电容器电极的多孔石墨烯材料不仅需要具有相对大的比表面积、低的灰分，还需要小的平均粒径和均匀的粒径分布。鉴于这些要求，化学活化法制备多孔石墨烯材料的制备过程仍有不足，并且需要进一步改进。

鉴于此，本发明提出制备多孔石墨烯材料的方法、多孔石墨烯材料和超级电容器。该方法制备得到的多孔石墨烯材料比表面积大、灰分低，且具有平均粒径小和粒径分布均匀的优点。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备多孔石墨烯材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将碳材料进行研磨处理，得到研磨后碳材料；(2)将所述研磨后碳材料与催化剂、活化剂和水混合后进行干燥，得到反应物；(3)将所述反应物进行活化处理，得到活化产物；(4)将所述活化产物进行后处理，得到多孔石墨烯前体；以及(5)将所述多孔石墨烯前体进行煅烧处理，得到所述多孔石墨烯材料。

根据本发明实施例的制备多孔石墨烯材料的方法，首先对碳材料进行研磨处理，并利用研磨后的碳材料与催化剂、活化剂和水混合并干燥后作为反应物，进而通过对上述反应物进行活化处理和对活化产物的后处理，得到多孔石墨烯前体。进一步地，通过对多孔石墨烯前体进行煅烧处理，可有效减少多孔石墨烯前体中因对碳材料进行破碎及活化而产生的碎屑，从而降低产品的平均粒径、提高粒径分布的均匀性，并烧蚀其中的部分的无定形碳，提高石墨烯微晶含量，提升产品性能。

另外，根据本发明上述实施例的制备多孔石墨烯材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述碳材料为选自煤、沥青、石油焦和生物质中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述研磨后碳材料中至少90％粉末的粒径小于30μm。

在本发明的一些实施例中，所述研磨后碳材料与所述催化剂的质量比为1:(0.01～5)。