[发明专利]一种具有可调控孔径的钴交联复合碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有可调控孔径的钴交联复合碳气凝胶及其制备方法。该复合碳气凝胶是采用钴盐交联聚酰胺酸与氧化石墨烯混合物得到气凝胶，再经碳化得到。该方法包括：氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶制备，钴盐/氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶制备，钴盐/氧化石墨烯/聚酰胺酸气凝胶制备，钴交联复合碳气凝胶制备。该气凝胶具有高比容量与优异的倍率性能。该方法过程简单、操作简单。

技术领域

本发明属于碳气凝胶及其制备领域，特别涉及一种具有可调控孔径的钴交联复合碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶(aerogel)是是一种轻质、多孔、非晶态的纳米碳材料。碳气凝胶是内部连续的三维结构可在纳米尺度上进行调控，孔隙率高达80～98％。近年来，碳气凝胶由于其独特的三维多孔网络结构和优异的性能，在能源、环保、航空等领域具有广阔的应用前景。

超级电容器是一种介于传统物理电容器和电池之间的新型储能器件，具有充放电速度快、环境友好、循环寿命长等优点。电极材料和电解液是超级电容器的主要组成部分，电极材料的结构与性能决定了超级电容器的输出性能的高低。超级电容器根据储能机理分为双电层超级电容器、法拉第赝电容电容器和混合电容器，双电层电容器，是在电极表面和电解液之间的界面通过对电荷的物理吸附形成的双电层来储能的电容器。

氧化石墨烯因其独特的二维空间结构能够提高超级电容器的性能。聚酰胺酸本身强度较低，体现为典型的凝胶态，在外力作用下易变性且不易恢复。金属离子(例如铁离子、钴离子、镍离子等)能够作为化学交联剂来交联氧化石墨烯与聚酰胺酸凝胶，从而提高凝胶前驱体的结构稳定性。同时，钴离子在高温下会与碳骨架发生掺杂反应，进一步提高材料的导电性能，从而使其拥有更优异的倍率性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有可调控孔径的钴交联复合碳气凝胶及其制备方法，以填补现有技术的空白。

本发明提供了一种钴交联复合碳气凝胶，采用钴盐交联聚酰胺酸与氧化石墨烯混合物得到气凝胶，再经碳化得到。

本发明还提供一种钴交联复合碳气凝胶的制备方法，包括：

(1)将水溶性聚酰胺酸溶解于的氧化石墨烯水溶液中，搅拌，得到氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶溶液；

(2)将钴盐溶液加入到步骤(1)中氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶溶液中，搅拌，得到钴盐/氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶，其中钴盐与步骤(1)中水溶性聚酰胺酸的质量比为0～0.3，且质量比不为0；

(3)将步骤(2)中钴盐/氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶置于液氮中冷冻，然后冷冻干燥，得到钴盐/氧化石墨烯/聚酰胺酸气凝胶；

(4)将步骤(3)中钴盐/氧化石墨烯/聚酰胺酸气凝胶亚胺化，然后碳化，得到钴交联复合碳气凝胶。

所述步骤(1)中氧化石墨烯由Hummers方法制备。

所述步骤(1)中氧化石墨烯水溶液浓度为2～6mg/mL。

所述步骤(1)中水溶性聚酰胺酸的制备方法包括：将二元胺单体溶解于极性溶剂中，加入二元酐单体，在冰水浴中聚合反应，加入助溶剂三乙胺，然后继续反应，将得到的聚酰胺酸溶液置于高度，缓慢流进去离子冰水中，沉析得到聚酰胺酸纤维，冷冻干燥，即得。

所述二元胺单体包括4,4’-二氨基二苯醚。

所述二元酐单体包括均苯四甲酸二酐。

所述极性溶剂包括N、N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基甲酰胺。

所述步骤(1)中氧化石墨烯和聚酰胺酸的质量比为1:20-50。

所述步骤(2)中钴盐包括六水合氯化钴。

所述步骤(3)中冷冻干燥时间为24-48h。