[发明专利]一种掺氮石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种掺氮石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法和应用，首先加入浓酸、石墨粉混合均匀；然后加入KMnO₄并充分混合反应；再加入粉末沥青焦，继续进行混合反应；再加入纯水继续混合反应；最后加入过氧化氢终止反应，反应结束后得到混合物，反应结束后得到混合物；然后将上述混合物过滤、洗涤，加入小分子氮源后在水中超声分散均匀，得到悬浮液，将悬浮液进行喷雾干燥，获得掺氮氧化石墨烯/沥青焦复合粉末；最后取掺氮氧化石墨烯/沥青焦复合粉末与碱混合均匀，经惰性气氛保护下高温活化得活化料，活化料经过洗涤、过滤、干燥、粉碎后得掺氮石墨烯/活性炭复合材料。

技术领域

本发明属于电容材料制备技术领域，具体涉及一种掺氮石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的新型储能装置，其电极材料直接影响着它的性能。活性炭因其发达的孔隙结构、低廉的制造成本，目前已广泛应用于超级电容器材料。但活性炭导电性较差，影响其功率密度、倍率性能和电极材料的利用率等。石墨烯具有优异的导电性和二维柔性结构，应用于超级电容器具有兼顾导电和储能的双重特性，可以作为一种优异的电极材料。另外，研究表明，炭材料中引入含氮官能团，作为电容器电极材料使用时，能促进与电解液离子的法拉第反应，从而提高电容器比容量。

将石墨烯与活性炭颗粒复合能形成二维导电接触，在电极中构建“至柔-至薄-至密”的三维导电网络，降低电极内阻，提高其容量，改善电容的倍率性能和循环稳定性。常见的方法是将两者进行物理混合，但由于石墨烯较高的表面能致使其极易团聚，简单的混合存在石墨烯分散性差、混合不均匀等问题，并不能完全达到较好的复合效果，直接用于电极材料电容较低。一种制备方法是将石墨烯与炭化料混合，利用后续的炭化-活化制备活性炭工艺实现充分的混合，但石墨烯与炭化料的密度差异大，仍然达不到均匀的复合。另外，石墨烯产品价格昂贵，直接添加会导致整个生产成本的增加。因此，开发高效的石墨烯和活性炭复合工艺、降低生产成本，是决定其在双电层电容器产业中应用成败的关键。

发明内容

本发明提供一种掺氮石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法和应用，以克服现有技术制备石墨烯/活性炭复合材料中存在的分散不均、工艺复杂、生产成本高的问题，本发明通过反应型分散技术，并在制备过程中引入含氮官能团，提高材料电容性能、降低生产成本。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种掺氮石墨烯/活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)加入浓酸、石墨粉混合均匀；然后加入KMnO₄并充分混合反应；再加入粉末沥青焦，继续进行混合反应；再加入纯水继续混合反应；最后加入过氧化氢终止反应，反应结束后得到混合物；

2)将上述混合物过滤、洗涤，加入小分子氮源后在水中超声分散均匀，得到悬浮液，将悬浮液进行喷雾干燥，获得掺氮氧化石墨烯/沥青焦复合粉末；

3)取掺氮氧化石墨烯/沥青焦复合粉末与碱混合均匀，经惰性气氛保护下高温活化得活化料，活化料经过洗涤、过滤、干燥、粉碎后得掺氮石墨烯/活性炭复合材料。

进一步地，步骤1)中，石墨粉为100-20000目的鳞片石墨、膨胀石墨和插层石墨中的一种；粉末沥青焦为破碎后粒径≤200μm的沥青焦，灰分≤10％；浓酸为浓硫酸、浓磷酸和浓硝酸中的至少一种；过氧化氢为市售质量浓度30％的过氧化氢。

进一步地，步骤1)中，各物料加入的质量比例为：以质量份数计，石墨粉1份、浓酸70-400份、KMnO₄ 2-10份、粉末沥青焦3-50份、纯水70-400份、过氧化氢2-15份。