[发明专利]一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

本申请实施例提出的一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用，由碳纳米材料与经炭化处理的多孔炭组成，碳纳米材料的质量分数为30‑90％，多级结构碳纳米复合材料的比表面积为300‑2500m²/g，其导电率为40‑600S/cm，其堆积密度为0.2‑0.5mg/L。本发明还公开了采用高粘度有机液体为粘结剂与碳纳米材料混合，后以热处理方式制备该复合材料的方法，该复合材料具有孔结构丰富、比表面积高，且孔径分布和比表面积可大范围调控，堆积密度高，能量密度高，功率密度高等优点，可用于处理宽浓度范围非极性有机物废水废气，也可用于1‑4V超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域与环保及电化学储能领域，尤其涉及一种新型多级结构碳纳米吸附剂及其制备方法与应用。

背景技术

碳纳米材料，例如碳纳米管与石墨烯等，因其具有大的外凸比表面积、高介孔率、良好的化学稳定性，并且sp2杂化构成的π-π键使其表面呈非极性，使之成为一种性能优异的新型材料。上述特性使得碳纳米材料可以吸附气体或者液体中的非极性有机物，并且具备脱附快、使用寿命长的优势，从而显示出比传统活性炭吸附材料更好的性能。目前已有研究利用碳纳米材料与粘结剂构成成型吸附剂，用于处理流体中低浓度非极性有机物。另外，碳纳米管与石墨烯也是优良的超级电容器电极材料之一，具有导电性好，可逆吸附-脱附，基于材料的电容容量大，功率性能优异等优点。

然而，由于传统的粘结剂本身不具备吸附性能，碳纳米材料与传统的粘结剂构成成型吸附剂中的有效物质(碳纳米材料)质量占比下降，使得单位体积或质量成型吸附剂的性能被降低，应用场景也被限制在低浓度流体范围；在碳纳米管与石墨烯应用于超级电容器电极材料时，由于其堆积密度小，在极片加工时，不易获得高的压实密度，导致器件的能量密度受限。而现有技术还未提出解决该问题的方法。

可见，如何使碳纳米材料对于不同的应用场景都具有介孔优化空间，以及提升碳纳米材料的堆积密度，是亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料及其制备方法与应用，通过将粘结剂替换为通过加工可获得的多孔炭，使得该复合材料具有介孔优化空间，以及在超级电容器领域具有较大的堆积密度。

为了实现上述目的，本申请采用的具体技术方案是：

第一方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料，所述多级结构碳纳米复合材料由碳纳米材料与经炭化处理的多孔炭组成，比表面积为300-2500m²/g，导电率为40-600S/cm，堆积密度为0.2-0.5mg/L，所述碳纳米材料的质量分数为30-90％。

可选的，所述碳纳米材料为碳纳米管与石墨烯中的一种或多种：

所述碳纳米管为单壁或多壁，比表面积为200-1300m²/g；

所述石墨烯为单层或多层，比表面积为200-2630m²/g。

第二方面，本申请提供了一种多级结构碳纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

采用高粘度有机液体为粘结剂与所述碳纳米材料混合得到复合物；

将所述复合物通过机械成型形成条状或粒状产品；

将所述条状或粒状产品以热处理方式经过炭化过程与活化过程，生成所述多孔炭，获得所述多级结构碳纳米复合材料。

可选的，所述方法包括如下特征：

所述碳纳米材料与所述高粘度有机液体质量比为1:10～10:1；

将所述碳纳米材料与所述高粘度有机液体在20-100℃下混合0.1-3小时。

可选的，所述方法包括如下特征：