CN105502386B - 一种微孔碳纳米片的制备方法 - Google Patents
一种微孔碳纳米片的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105502386B CN105502386B CN201510948418.XA CN201510948418A CN105502386B CN 105502386 B CN105502386 B CN 105502386B CN 201510948418 A CN201510948418 A CN 201510948418A CN 105502386 B CN105502386 B CN 105502386B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon
- carbon nanosheet
- micropore
- nanosheet
- koh
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
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(50~200 μm),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10~100 nm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50~200 nm厚度的二维碳纳米片;然后利用KOH活化,获得比表面积为1756~2212 m2 ·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30~60 min,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1~3 h,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1~3 h,用0.1~2 MHCl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50~200 nm,比表面积达到了1756~2212 m2 ·g-1和孔容0.64~1.21 cm3 ·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6 M KOH在电流密度为1 A·g-1时,比电容达到221~308 F·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6 M KOH电解液中,扫描速率为50 mV·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1 A·g-1的充放电曲线;
图 8为实施例2所得微孔碳纳米片在5 A·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50 mL去离子水中,室温下磁力搅拌30 min,然后在100℃干燥10 h;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2 h;取1g所得碳材料与4 g KOH搅拌充分混合,置于管式炉,在N2保护下,800℃碳化1 h;将所得碳材料浸泡在 0.1 M HCl溶液中10 h,过滤,在100℃真空干燥,得微孔碳材料。碳材料的比表面积为 927 m2g-1,孔体积为0.31 cm3g-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6 M KOH电解液中比电容为184 F g-1 (电流密度为1 A·g-1);在电流密度5 A·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2 g 葡萄糖和4 g NaCl加入50 mL去离子水中,室温下磁力搅拌30 min,然后在100℃干燥10 h;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2 h;将所得碳材料浸泡在80 ℃去离子水中10 h除去NaCl,过滤,在100℃真空干燥,得碳纳米片材料;取1 g碳纳米片与4 g KOH搅拌充分混合,置于管式炉,在N2保护下,800℃碳化1 h;将所得碳材料浸泡在 0.1 M HCl溶液中10 h,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 2212 m2·g-1,孔体积为1.21 cm3·g-1。
经检测,以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中比电容为308 F·g-1 (电流密度为1 A·g-1),在电流密度5 A·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50~100 nm。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2212 m2·g-1,这远高于没有加NaCl模板的碳材料的比表面积(927 m2·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5 A·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2 g 葡萄糖和8 g NaCl加入50 mL去离子水中,室温下磁力搅拌30 min,然后在100℃干燥10 h;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2 h;将所得碳材料浸泡在80℃去离子水中10 h除去NaCl,过滤,在100℃真空干燥,得碳纳米片材料;取1 g碳纳米片与4 g KOH搅拌充分混合,置于管式炉,在N2保护下,800℃碳化1 h;将所得碳材料浸泡在 0.1 M HCl溶液中10 h,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 2000 m2·g-1,孔体积为1.0 cm3·g-1。
经检测,以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中比电容为288 F g-1 (电流密度为1 A ·g-1),在电流密度5 A· 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12g NaCl加入50 mL去离子水中,室温下磁力搅拌30 min,然后在100℃干燥10 h;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2 h;将所得碳材料浸泡在80℃去离子水中10 h除去NaCl,过滤,在100℃真空干燥,得碳纳米片材料;取1 g碳纳米片与4 g KOH搅拌充分混合,置于管式炉,在在N2保护下,800℃碳化1 h;将所得碳材料浸泡在 0.1 M HCl溶液中10 h,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 1756 m2·g-1,孔体积为0.64 cm3·g-1。经检测,以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中比电容为221 F·g-1 (电流密度为1 A· g-1),在电流密度5 A· 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927 m2·g-1增加到2212 m2·g-1,孔容从0.31 cm3·g-1增加到1.21 cm3·g-1。用做超级电容器电极时,电容器在比电流为1 A ·g-1时,比电容从184 F·g-1增加到308 F· 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2 g 蔗糖和4g NaCl加入30 mL去离子水中,室温下磁力搅拌10 min,然后在120℃干燥5 h;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10 h除去NaCl,过滤,在120℃真空干燥,得碳纳米片材料;取1 g碳纳米片与4 g KOH搅拌充分混合,置于管式炉,在N2保护下,900℃碳化1 h;将所得碳材料浸泡在 1 M HCl溶液中10 h,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 2156 m2·g-1,孔体积为1.16 cm3·g-1。经检测,以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中比电容为298 F·g-1 (电流密度为1 A·g-1),在电流密度5 A·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4g NaCl加入30 mL去离子水中,室温下磁力搅拌60 min,然后在120℃干燥10 h;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10 h除去NaCl,过滤,在100℃真空干燥,得碳纳米片材料;取1 g碳纳米片与4 g KOH搅拌充分混合,置于管式炉,在N2保护下,800℃碳化1 h;将所得碳材料浸泡在 2 M HCl溶液中8 h,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 2089 m2·g-1,孔体积为1.13 cm3·g-1。经检测,以该碳纳米片作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中比电容为287 F·g-1 (电流密度为1 A·g-1),在电流密度5 A·g-1下,经3000循环后,比电容保有率为92.4%。
Claims (4)
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50~200 nm厚度的二维碳纳米片;然后利用KOH活化,获得微孔碳纳米片;
具体包括以下步骤:
(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30~60 min,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5~50 mL;
(2)取上述混合物,在N2保护下,500~600℃预碳化1~3 h,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1~3 h,用0.1~2 M HCl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。
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:所述碳纳米片与KOH的质量比为1:4。
3.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:所得的微孔碳纳米片的比表面积为1756~2212 m2·g-1,孔容为0.64~1.21 cm3·g-1。
4.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: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6 M KOH,在电流密度为1 A·g-1时,比电容达到221~308 F·g-1。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510948418.XA CN105502386B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 一种微孔碳纳米片的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510948418.XA CN105502386B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 一种微孔碳纳米片的制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105502386A CN105502386A (zh) | 2016-04-20 |
CN105502386B true CN105502386B (zh) | 2017-09-05 |
Family
ID=55710773
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510948418.XA Expired - Fee Related CN105502386B (zh) | 2015-12-17 | 2015-12-17 | 一种微孔碳纳米片的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105502386B (zh) |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106185923A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-07 | 江苏大学 | 一种用无机盐模板辅助制备多孔碳纳米材料的方法及其用途 |
CN106185921A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-07 | 江苏大学 | 一种以NaCl为硬模板制备多孔碳材料的方法及用途 |
CN107473201A (zh) * | 2017-08-22 | 2017-12-15 | 邹远升 | 一种防腐熔盐材料及其制备方法和应用 |
CN109956479A (zh) * | 2017-12-25 | 2019-07-02 | 北京化工大学 | 一种中空微球及其制备方法 |
CN108649242B (zh) * | 2018-03-21 | 2020-05-19 | 南京师范大学 | 一种二维多孔Pt纳米片的制备方法及其所得材料和应用 |
CN108520828A (zh) * | 2018-04-02 | 2018-09-11 | 桂林电子科技大学 | 一种高度石墨化的二维多洞碳纳米片制备方法和应用 |
CN110386626B (zh) * | 2018-04-16 | 2022-04-19 | 中国科学技术大学 | 一种氧化亚钴薄片、其制备方法和其在可见光催化全分解水中的应用 |
CN108751164B (zh) * | 2018-05-30 | 2020-02-07 | 湘潭大学 | 一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片及其制备方法和用途 |
CN108529596B (zh) * | 2018-07-20 | 2021-11-26 | 广东工业大学 | 一种二维薄层碳的制备方法 |
CN108975308A (zh) * | 2018-08-08 | 2018-12-11 | 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 | 一种层级孔道炭纳米片及其制备方法和应用 |
CN109647474B (zh) * | 2018-11-12 | 2020-10-16 | 华中科技大学 | 一种氮掺杂碳材料、其制备和应用 |
CN109734473B (zh) * | 2019-03-11 | 2021-09-28 | 福州大学 | 一种多孔陶瓷及其制备方法 |
CN109877342B (zh) * | 2019-03-26 | 2020-08-25 | 中国科学技术大学 | 一种非晶贵金属纳米片及其制备方法 |
CN110078051B (zh) * | 2019-04-30 | 2020-08-04 | 济宁学院 | 碳纳米笼材料的制备方法 |
US11757097B2 (en) * | 2020-01-09 | 2023-09-12 | Purdue Research Foundation | Methods for producing functionalized carbon nanosheets and electrochemical energy storage cells with electrodes formed thereof |
CN112897526A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-04 | 西南大学 | 基于工业葡萄糖的多孔碳点材料的制备方法及其应用 |
CN114093678B (zh) * | 2021-11-24 | 2023-07-14 | 滨州学院 | 一种过渡金属磷化物纳米片电极材料的制备方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8784764B2 (en) * | 2008-12-15 | 2014-07-22 | Corning Incorporated | Methods for forming activated carbon material for high energy density ultracapacitors |
CN104876217B (zh) * | 2015-06-01 | 2017-10-10 | 北京理工大学 | 一种石墨烯的制备方法 |
-
2015
- 2015-12-17 CN CN201510948418.XA patent/CN105502386B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105502386A (zh) | 2016-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105502386B (zh) | 一种微孔碳纳米片的制备方法 | |
Yang et al. | Biomass-derived porous carbon materials for supercapacitor | |
Cai et al. | Porous carbon derived from cashew nut husk biomass waste for high-performance supercapacitors | |
Zhou et al. | Pseudocapacitive deionization of uranium (VI) with WO3/C electrode | |
Lin et al. | KOH activation of biomass-derived nitrogen-doped carbons for supercapacitor and electrocatalytic oxygen reduction | |
Yang et al. | Two-step preparation of hierarchical porous carbon from KOH-activated wood sawdust for supercapacitor | |
Qiao et al. | Humic acids-based hierarchical porous carbons as high-rate performance electrodes for symmetric supercapacitors | |
Zheng et al. | The porous carbon derived from water hyacinth with well-designed hierarchical structure for supercapacitors | |
Zhao et al. | Facile preparation of NO codoped hierarchically porous carbon from alginate particles for high performance supercapacitor | |
RU2434806C2 (ru) | Карбонизованные биополимеры | |
CN108630920A (zh) | 一种纳米金属氧化物/MXene异质结构复合材料及其制备方法 | |
CN103833032A (zh) | 基于石墨烯的复合负极材料 | |
Huang et al. | Mycelial pellet-derived heteroatom-doped carbon nanosheets with a three-dimensional hierarchical porous structure for efficient capacitive deionization | |
CN110330016A (zh) | 一种无烟煤基多孔碳石墨微晶和孔隙的一步协同发展方法 | |
CN104045077A (zh) | 一种石墨烯三维分级多孔炭材料及制备方法 | |
Chen et al. | Recent progress in biomass-derived carbon materials used for secondary batteries | |
CN105152158B (zh) | 三维石墨烯水凝胶电极材料的制备及其电容去离子应用 | |
CN105118688A (zh) | 一种细菌纤维素/活性碳纤维/石墨烯膜材料的制备方法及其应用 | |
CN107628597B (zh) | 一种利用SiO2包覆法制备具有微孔及介孔结构生物质碳材料的方法 | |
Men et al. | N-doped porous carbon-based capacitive deionization electrode materials loaded with activated carbon fiber for water desalination applications | |
CN113135568A (zh) | 一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用 | |
CN109637829A (zh) | 一种通过海藻酸钠与二胺类化合物交联制备氮掺杂多孔碳的方法 | |
CN108630453A (zh) | 一步法制备类石墨烯碳纳米片材料的方法及其用途 | |
CN109110756A (zh) | 一种均质玉米芯衍生炭电极材料及其制备方法 | |
Xue et al. | Exceptional capacitive deionization desalination performance of hollow bowl-like carbon derived from MOFs in brackish water |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170905 Termination date: 20211217 |