CN105502386A - 一种微孔碳纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微孔碳纳米片的制备方法，并将其用作超级电容器的电极材料。该方法是利用水溶性无机盐NaCl为模板，葡萄糖、蔗糖或纤维素为碳前驱体；碳源均匀包裹在立方NaCl晶体模板表面，高温碳化后，利用去离子水除去NaCl模板得到二维碳纳米片；然后用KOH高温活化后，加稀盐酸除去钾化合物，得到高比表面积和厚度为几十纳米的微孔碳纳米片；作为超级电容器电极材料，具有较大的比电容量、倍率性能和优异的循环稳定性。此外，本发明工艺简单，成本低廉，适于工业应用。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料研究领域，涉及一种高比表面积微孔碳纳米片的制备方法以及其在超级电容器中的应用。
背景技术
超级电容器作为一种新型储能装置，由于具有功率密度高、快速充放电、循环寿命长、工作温度范围宽、安全无污染等一系列优点，在移动通讯、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有广阔的应用前景，被认为是一种理想的化学电源。超级电容器的性能主要取决于所用电极材料的比表面积、孔径分布、显微结构和导电性能等。目前，商业化超级电容器主要利用活性炭作为电极材料。相比其他碳材料，活性炭材料具有比表面积大、原料来源丰富、成本低等优点。但由于传统方法制备的活性炭颗粒比较大（50~200μm），这增加了电解质离子的扩散距离，从而导致电容器的性能降低。
碳纳米片作为一种类石墨烯结构的新型二维碳纳米材料，由于其具有较高的比表面积、优良的导电性能，被广泛应用于电化学储能和电催化领域。碳纳米片的厚度一般为10~100nm之间，从而大幅降低了电解质离子的扩散距离。与石墨烯材料相比，碳纳米片制备成本低，不易团聚，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。
发明内容
本发明旨在提供一种简单、成本低、高比表面积的微孔碳纳米片的制备方法，通过该方法制备的碳纳米片用于超级电容器电极时，电容器表现出良好的电化学性能。
本发明提供了一种微孔碳纳米片的制备方法，以水溶性NaCl无机盐为模板，葡萄糖、蔗糖或纤维素的一种为碳源，高温碳化后，水洗除去无机盐模板，获得50~200nm厚度的二维碳纳米片；然后利用KOH活化，获得比表面积为1756~2212m2·g-1、孔容为0.64~1.21cm3·g-1的微孔碳纳米片。
所述微孔碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：
（1）取葡萄糖、蔗糖或纤维素的一种为碳源，以水溶性NaCl无机盐为模板，溶于去离子水中，搅拌30~60min，在80~120℃烘干；
所述碳源与NaCl模板的质量配比为：1:1~1:6；每1g碳源使用去离子水的量为5~50mL；
（2）取上述混合物，在N2保护下，500~600℃预碳化1~3h，然后用去离子水除去无机盐模板，过滤，80~120℃干燥，获得二维碳纳米片；
（3）将碳纳米片和KOH混合均匀，在N2保护下，700~900℃活化1~3h，用0.1~2MHCl除去杂质，过滤，80~110℃干燥，获得最终产品；
所述碳纳米片与KOH的质量比为1:1~1：4。
根据上述方法所得的微孔碳纳米片产品的性能：碳纳米片的厚度为50~200nm，比表面积达到了1756~2212m2·g-1和孔容0.64~1.21cm3·g-1。该碳纳米片用作超级电容器的电极材料时，在常规三电极体系评价其电化学性能，铂片为对电极，饱和甘汞为参比电极，电解液为6MKOH在电流密度为1A·g-1时，比电容达到221~308F·g-1。
本发明的有益效果：
（1）本发明工艺简单，成本低廉，适于工业应用；
（2）和传统模板相比，水溶性无机盐价格低廉而且易除去；
（3）通过无机盐的加入量调控碳纳米片的厚度，缩短电解质离子的扩散距离，提高电容性能。
附图说明
图1为实施例1所得微孔碳纳米片的扫描电镜照片；
图2为实施例2所得微孔碳纳米片的扫描电镜照片；
图3为实施例2所得微孔碳纳米片的透射电镜照片；
图4为实施例1和2所得微孔碳纳米片的N2吸附-脱附图平衡曲线；
图5为实施例1和2所得微孔碳纳米片的孔径分布图；
图6为实施例1和2在6MKOH电解液中，扫描速率为50mV·s-1的循环伏安测试曲线；
图7为实施例1和2所得微孔碳纳米片在1A·g-1的充放电曲线；
图8为实施例2所得微孔碳纳米片在5A·g-1充放电3000个循环电容性能。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1（对比实施例）：
称取2g葡萄糖加入50mL去离子水中，室温下磁力搅拌30min，然后在100℃干燥10h；将干燥后混合物转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉，在N2保护下，500℃碳化2h；取1g所得碳材料与4gKOH搅拌充分混合，置于管式炉，在N2保护下，800℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在0.1MHCl溶液中10h，过滤，在100℃真空干燥，得微孔碳材料。碳材料的比表面积为927m2g-1，孔体积为0.31cm3g-1。
本实施例中未使用NaCl模板。
经检测，以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在6MKOH电解液中比电容为184Fg-1(电流密度为1A·g-1)；在电流密度5A·g-1下，经3000个恒流充放电循环后，比电容保有率为79.6%。
图1示出了本实施例所得微孔碳纳米片的扫描电镜照片；可以看到没有加NaCl模板时，碳材料中没有碳纳米片。
本实施例所得微孔碳纳米片的N2吸附-脱附平衡曲线、孔径分布、循环伏安测试曲线及充放电曲线详见图4~图7。
实施例2
称取2g葡萄糖和4gNaCl加入50mL去离子水中，室温下磁力搅拌30min，然后在100℃干燥10h；将干燥后混合物转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉，在N2保护下，500℃碳化2h；将所得碳材料浸泡在80℃去离子水中10h除去NaCl，过滤，在100℃真空干燥，得碳纳米片材料；取1g碳纳米片与4gKOH搅拌充分混合，置于管式炉，在N2保护下，800℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在0.1MHCl溶液中10h，过滤，在100℃真空干燥，得微孔碳纳米片材料。
碳纳米片的比表面积为2212m2·g-1，孔体积为1.21cm3·g-1。
经检测，以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在6MKOH电解液中比电容为308F·g-1(电流密度为1A·g-1)，在电流密度5A·g-1下，经3000个恒流充放电循环后，比电容保有率为95.6%。
图2示出了本实施例所得微孔碳纳米片的扫描电镜照片，表明加入NaCl模板后，获得片状碳材料结构，厚度为50~100nm。透射电镜照片（图3）进一步证明了获得了碳纳米片结构。
图4~图7对比示出了实施例1和2所得产品的N2吸附-脱附平衡缺陷、孔径分布、循环伏安测试曲线及充放电曲线图，表明加入NaCl模板后获得碳纳米片材料的表面积达到了2212m2·g-1，这远高于没有加NaCl模板的碳材料的比表面积（927m2·g-1）。高比表面积的碳纳米片结构导致了优异的电容性能（图6和图7）。
图8示出了本实施例所得微孔碳纳米片在5A·g-1充放电3000个循环电容性能，比电容保有率为95.6%，表明该材料具有良好的电化学稳定性。
实施例3
称取2g葡萄糖和8gNaCl加入50mL去离子水中，室温下磁力搅拌30min，然后在100℃干燥10h；将干燥后混合物转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉，在N2保护下，500℃碳化2h；将所得碳材料浸泡在80℃去离子水中10h除去NaCl，过滤，在100℃真空干燥，得碳纳米片材料；取1g碳纳米片与4gKOH搅拌充分混合，置于管式炉，在N2保护下，800℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在0.1MHCl溶液中10h，过滤，在100℃真空干燥，得微孔碳纳米片材料。
碳纳米片的比表面积为2000m2·g-1，孔体积为1.0cm3·g-1。
经检测，以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在6MKOH电解液中比电容为288Fg-1(电流密度为1A·g-1)，在电流密度5A·g-1下，经3000循环后，比电容保有率为92.6%。
实施例4
称取2g葡萄糖和12gNaCl加入50mL去离子水中，室温下磁力搅拌30min，然后在100℃干燥10h；将干燥后混合物转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉，在N2保护下，500℃碳化2h；将所得碳材料浸泡在80℃去离子水中10h除去NaCl，过滤，在100℃真空干燥，得碳纳米片材料；取1g碳纳米片与4gKOH搅拌充分混合，置于管式炉，在在N2保护下，800℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在0.1MHCl溶液中10h，过滤，在100℃真空干燥，得微孔碳纳米片材料。碳纳米片的比表面积为1756m2·g-1，孔体积为0.64cm3·g-1。经检测，以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在6MKOH电解液中比电容为221F·g-1(电流密度为1A·g-1)，在电流密度5A·g-1下，经3000循环后，比电容保有率为80.6%。
从实施例1~4可以看出，在相同的碳源（实验采用葡萄糖）、相同的活化剂（实验采用氢氧化钾）、相同的质量配比和完全相同的制备工艺时，采用本发明加入NaCl模板得到高比表面积二维碳纳米片，而不加NaCl模板则得到传统的活性炭；所制备的碳纳米片比不加模板制备的活性炭比表面积从927m2·g-1增加到2212m2·g-1，孔容从0.31cm3·g-1增加到1.21cm3·g-1。用做超级电容器电极时，电容器在比电流为1A·g-1时，比电容从184F·g-1增加到308F·g-1。表明采用本发明制备的活性炭具备更高的比表面积、孔容和更好的电化学性能。
实施例5
称取2g蔗糖和4gNaCl加入30mL去离子水中，室温下磁力搅拌10min，然后在120℃干燥5h；将干燥后混合物转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉，在N2保护下，600℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在100℃去离子水中10h除去NaCl，过滤，在120℃真空干燥，得碳纳米片材料；取1g碳纳米片与4gKOH搅拌充分混合，置于管式炉，在N2保护下，900℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在1MHCl溶液中10h，过滤，在100℃真空干燥，得微孔碳纳米片材料。碳纳米片的比表面积为2156m2·g-1，孔体积为1.16cm3·g-1。经检测，以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在6MKOH电解液中比电容为298F·g-1(电流密度为1A·g-1)，在电流密度5A·g-1下，经3000循环后，比电容保有率为93.6%。
实施例6
称取2g纤维素和4gNaCl加入30mL去离子水中，室温下磁力搅拌60min，然后在120℃干燥10h；将干燥后混合物转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉，在N2保护下，550℃碳化3h；将所得碳材料浸泡在80℃去离子水中10h除去NaCl，过滤，在100℃真空干燥，得碳纳米片材料；取1g碳纳米片与4gKOH搅拌充分混合，置于管式炉，在N2保护下，800℃碳化1h；将所得碳材料浸泡在2MHCl溶液中8h，过滤，在110℃真空干燥，得微孔碳纳米片材料。碳纳米片的比表面积为2089m2·g-1，孔体积为1.13cm3·g-1。经检测，以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在6MKOH电解液中比电容为287F·g-1(电流密度为1A·g-1)，在电流密度5A·g-1下，经3000循环后，比电容保有率为92.4%。
Claims (5)
1.一种微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：以水溶性NaCl无机盐为模板，葡萄糖、蔗糖或纤维素的一种为碳源，高温碳化后，水洗除去无机盐模板，获得50~200nm厚度的二维碳纳米片；然后利用KOH活化，获得微孔碳纳米片。
2.根据权利要求1所述的微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取葡萄糖、蔗糖或纤维素的一种为碳源，以水溶性NaCl无机盐为模板，溶于去离子水中，搅拌30~60min，在80~120℃烘干；
所述碳源与NaCl模板的质量配比为：1:1~1:6；每1g碳源使用去离子水的量为5~50mL；
（2）取上述混合物，在N2保护下，500~600℃预碳化1~3h，然后用去离子水除去无机盐模板，过滤，80~120℃干燥，获得二维碳纳米片；
（3）将碳纳米片和KOH混合均匀，在N2保护下，700~900℃活化1~3h，用0.1~2MHCl除去杂质，过滤，80~110℃干燥，获得最终产品微孔碳纳米片；
所述碳纳米片与KOH的质量比为1:1~1：4。
3.根据权利要求2所述的微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述碳纳米片与KOH的质量比为1：4。
4.根据权利要求1或2所述的微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所得的微孔碳纳米片的比表面积为1756~2212m2·g-1，孔容为0.64~1.21cm3·g-1。
5.根据权利要求1或2所述的微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所得的微孔碳纳米片作为超级电容器的电极材料，在常规三电极体系评价其电化学性能，铂片为对电极，饱和甘汞为参比电极，电解液为6MKOH，在电流密度为1A·g-1时，比电容达到221~308F·g-1。
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