[发明专利]超级电容器用改进型自支撑氮掺杂多孔石墨烯及制备方法

说明书

本发明公开一种超级电容器用改进型自支撑氮掺杂多孔石墨烯的制备方法，通过利用聚多巴胺的强吸附性和粘结性和镍粉、铝粉和铜粉粘结成一个块体，在高温条件下，包裹在镍粉、铝粉和铜粉周围的聚多巴胺前体发生热分解，在镍、铝和铜的催化作用下生成氮掺杂石墨烯材料，同时块体中的纳米镍粉、铝粉和铜粉去除后形成的纳米空洞保证了石墨烯的多孔性，得到高质量的氮掺杂石墨烯，所得氮掺杂石墨烯材料的厚度约为8‑12层，氮含量在15%以上，比表面积在1800 m²/g以上。该技术方案中需求设备少，制备方法简便易行，反应过程易于控制、危险性小、成本低、可批量生产，极易大规模推广使用。

技术领域

本发明涉及石墨烯领域技术，尤其是指一种超级电容器用改进型自支撑氮掺杂多孔石墨烯及制备方法。

背景技术

超级电容器又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。按照充放电机理，超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器主要使用碳基材料，赝电容器的电极材料主要有过渡金属氧化物和导电聚合物。伴随电子产品对电源设备的更高要求，不添加任何粘结剂和导电剂的自支撑超级电容器材料越来越受到广泛的关注和研究。二维石墨烯纸因其良好的导电性和较高的比表面积，是一种较为理想的整体性、自支撑超级电容器电极材料，但是在实际应用中，石墨烯片层的堆积使得形成双电层的有效面积减小。因此，研究对其改性是否可克服该缺陷。Ruoff等人在Graphene-BasedUltracapacitors 一文中首次将化学修饰石墨烯材料应用到超级电容器电极材料中，但是，发现水系和有机系电解液的比电容值都较低，其分析认为造成质量比电容不理想的主要原因是：还原制备的化学修饰石墨烯电极材料再次团聚而造成其有效比表面积大大降低，无法吸附大量的电解液离子。另外，原始的碳材料的电学性能相对较弱，截至目前，已发现的碳基能源材料均是被掺杂的纳米碳材料，即异原子掺杂碳材料。这是因为，掺杂的异原子，尤其是氮原子，不仅可以提供孤对电子，还能够改变碳原子的自旋密度和电荷密度，使其具有很高的自旋密度。同时，电子可以从相邻的碳原子贡献至氮原子中，同时电子还可通过氮原子反馈到碳原子的pz轨道中，从而提高其电学性能。现有石墨烯氮掺杂方法中大多采用气相体系中通过高温或电弧放电的方法将氮原子掺杂到石墨烯的晶格中，但这些方法需采用高真空系统等专业设备，还需使用高危险性的氢气、腐蚀性的氨气等，其制备条件苛刻、成本高、危险性大，而且石墨烯的多孔性得不到保证，故不适宜大规模生产。因此，发展快速、绿色、简便的N掺杂多孔石墨烯的合成方法仍然是目前的一个研究热点。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种超级电容器用改进型自支撑氮掺杂多孔石墨烯及制备方法，其可制备出更高比表面积、更高质量的氮掺杂石墨烯，该方法使用的原料无毒、便宜易得，工艺简单，成本低廉，因此，该方法是具有实际应用前景的规模化生产高比表面积高质量的氮掺杂多孔石墨烯的绿色工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种超级电容器用改进型自支撑氮掺杂多孔石墨烯的制备方法，包括有以下步骤：

（1）将12-15g 纳米镍粉粉末、5-8g纳米铝粉粉末和10-12g纳米铜粉粉末依次分散在1500-2000mL 浓度为 6-8mg/mL的多巴胺/Tris-HCl的缓冲溶液中，超声振荡2h，然后室温机械搅拌反应 3-4h，60℃下加热2-3h，待成糊状用辊径为45cm的辊压机压成片状，得到片状氮掺杂多孔石墨烯前驱体；