复合材料与其制造方法以及应用复合材料的电极及其制造方法技术

技术编号:20748283 阅读:43 留言:0更新日期:2019-04-03 10:55
本发明专利技术提供一种复合材料与其制造方法以及应用复合材料的电极及其制造方法,所述复合材料制造方法,包括:提供氧化石墨烯和活性炭;将所述氧化石墨烯和所述活性炭均匀分散于一醇类中,以形成一混合物;以及对所述混合物进行单一步骤的微波加热,以均匀地将所述氧化石墨烯还原于所述活性炭的表面活性位置上,而形成一复合材料。实施例的复合材料也适合应用于电容脱盐(CDI)及超级电容(supercapacitor)的电极制作。

【技术实现步骤摘要】
复合材料与其制造方法以及应用复合材料的电极及其制造方法
本专利技术是有关于一种复合材料与其制造方法及其应用,且特别是有关于一种石墨烯/活性炭复合材料及其制造方法与应用。
技术介绍
电容脱盐技术(capacitivedeionization,CDI)及超级电容(supercapacitor)的关键材料为碳材料,需具备多孔性、高比表面积与高导电性等特性,目前主流以活性炭(activatedcarbon)为主,因为原料来源多,其量产成本很低是主要诱因外,同时具备高比面积与高脱盐量特性是其应用优势。许多研究针对活性炭改质使之具有高比表面积进而提升电极比电容值与高脱盐率。然而,由于活性炭的导电性普遍不佳,因此在制作电极的过程需要额外添加导电材(例如:石墨)。但石墨本身比表面积远低于活性炭材料,因此其吸附离子能力有限,然而额外添加导电材会降低活性炭在电极中的比重,影响其有效离子吸附位置,降低电极表现。因此,如何研发出具高导电性的活性炭复合材料为研发重要方向。由于石墨烯(graphene)具有优越的性质,例如超高导热系数(5300W/m·K)而有高散热性、高电子迁移率(200,000cm2/V·s)而有高导电性、透光性与优良的机械性能,而被认为是改质活性炭的极具潜力的材料。但是传统制备石墨烯的方法相当耗时,通常需要数天的时间,而还原氧化石墨烯的阶段使用的化学还原剂具有毒性,不具环境友善性以及需额外处置成本,因此限制石墨烯发展应用性。此外,传统制备石墨烯过程中结构容易发生堆叠现象,一旦发生堆叠,其电极效能便会大幅受影响。因此如何研发出石墨烯改质活性炭的高效能复合材料,以维持低成本又可迅速制备,而制得的复合材料的碳层结构又不易堆叠,以具有高导电性,实为研发人员的重要目标。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合材料与其制造方法,以解决现有技术中复合材料制备耗时、成本高昂且碳层结构容易堆叠的缺陷。本专利技术的另一目的在于提供一种应用复合材料的电极及其制造方法。为实现上述目的,本专利技术提出一种复合材料制造方法,包括:提供氧化石墨烯和活性炭;将所述氧化石墨烯和所述活性炭均匀分散于一醇类中,以形成一混合物;以及对所述混合物进行单一步骤的微波加热,以均匀地将前述氧化石墨烯还原于所述活性炭的表面活性位置上,而形成一复合材料。本专利技术所述的制造方法,其中,所述氧化石墨烯及所述活性炭的添加量的重量比介于0.05~0.5范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述氧化石墨烯及所述活性炭的添加量的重量比介于0.1~0.25范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述醇类与所述氧化石墨烯的添加量的重量比介于0.01~0.2范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述醇类具有碳原子数C2~C4的碳链。本专利技术所述的制造方法,其中,在分散于所述醇类之前,所提供的所述活性炭的比表面积介于500m2/g至3000m2/g之间。本专利技术所述的制造方法,其中,在分散于所述醇类之前,所提供的所述活性炭的孔径介于1nm至1000nm范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述微波加热的时间短于30分钟。本专利技术所述的制造方法,其中,前述微波加热的时间在3分钟至小于30分钟的范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述微波加热的温度介于50℃~300℃范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述微波加热的功率介于400W~1600W范围之间。本专利技术所述的制造方法,其中,所述微波加热时所使用的微波频率介于0.3GHz至300GHz范围之间。为实现上述目的,本专利技术还提出一种复合材料,根据上述的制造方法而制得。为实现上述目的,本专利技术还提出一种电极,包括一导电基材,和一材料混合物,所述材料混合物涂布于导电基材上,材料混合物至少包括:根据上述的制造方法而制得的复合材料;以及至少一黏着剂。为实现上述目的,本专利技术还提出一种电极制造方法,包括:提供一导电基材;混合黏着剂与根据上述的制造方法而制得的复合材料,并以溶剂稀释和均匀搅拌,以形成一糊状浆料;涂布所述糊状浆料于所述导电基材上,于干燥后制得一复合碳电极。本专利技术所述的电极制造方法,其中,所述复合材料与所述黏着剂的重量比介于7:3至9:1的范围。本专利技术所述的电极制造方法,其中,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮和二甲基乙酰胺中的一种或两种。本专利技术的有益效果:可利用单一步骤微波加热方式迅速地将氧化石墨烯均匀还原于活性炭材料上,进而使制得的复合材料具有改善的高导电性与高比电容值。复合材料也适合应用于电容脱盐(capacitivedeionization,CDI)及超级电容(supercapacitor)的电极制作。附图说明图1为本专利技术一实施例的复合材料制造方法的流程图。图2为本专利技术一实施例的电极制造方法的流程图。图3A为氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)和经由本专利技术一实施例的制程中以不同微波加热的功率(400W、800W、1200W)还原氧化石墨烯的温度分布曲线。图3B分别为氧化石墨烯和经由本专利技术一实施例的制程中以不同微波加热的功率(400W、800W、1200W)还原氧化石墨烯的XRD图谱。图4(a)~4(f)为活性炭、石墨和石墨烯的电子显微镜(SEM)影像。图5(a)、5(b)是不同复合碳电极的表面形貌的电子显微镜影像。图6为氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)和经由不同热制程还原氧化石墨烯的XRD图谱。图7为尚未还原的活性炭、和经由不同热制程还原氧化石墨烯的复合碳电极的循环伏安图(电解液为0.5M氯化钠水溶液,扫描速率为0.01V/s)。图8为尚未还原的活性炭、和经由不同热制程还原氧化石墨烯的复合碳电极的电化学阻抗频谱图。图9为不同氧化石墨烯添加量制备而成的碳复合电极的循环伏安图的电化学分析(电解液为0.5M氯化钠水溶液,扫描速率为0.01V/s)。其中,附图标记:S11、S12、S13、S21、S22、S23:步骤具体实施方式在此
技术实现思路
的实施例中,提出一种复合材料与其制造方法,以及应用此复合材料所制得的电极及其制造方法。根据本专利技术,可快速制备一种复合材料,此复合材料包括石墨烯和活性炭。实施例利用单一步骤微波加热方式将氧化石墨烯均匀地还原于活性炭材料上,可在低温和常压下进行,而且还原时间可大幅缩短(例如从传统制备方式的数十小时缩短至几分钟,还原速率大幅提升);再者,可选用环境无毒性的醇类做为化学还原剂(取代传统制备方式中具毒性的化学还原剂如联氨)来进行氧化石墨烯的还原。此外,根据实施例,氧化石墨烯可均匀地还原在活性炭表面,可避免石墨烯因为疏水性彼此间团聚再堆叠的情形,相较于传统制备方式所制得的石墨烯/活性炭的复合材料,实施例的复合材料因而可具有改善的高导电性与高比电容值。因此,实施例所提出的复合材料与其制造方法,不但在制造方法上具有无毒、容易进行(低温、常压、单一步骤微波加热)并大幅缩短制备时间,所制得的复合材料也兼具活性炭的高比表面积与石墨烯的高导电性的优点。此
技术实现思路
的实施例其应用十分广泛,特别是适合应用于作为电容脱盐(capacitivedeionization,CDI)及超级电容(supercapacitor)的电极材料,例如在不需添加导电材的情形下,使用实施例的复合材料与黏着剂,以制备用于电容脱盐及超级电容的电本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种复合材料制造方法,其特征在于,包括:提供一氧化石墨烯和一活性炭;将所述氧化石墨烯和所述活性炭均匀分散于一醇类中,以形成一混合物;以及对所述混合物进行单一步骤的微波加热,以均匀地将前述氧化石墨烯还原于所述活性炭的表面活性位置上,而形成一复合材料。

【技术特征摘要】
2017.09.26 US 62/563,1031.一种复合材料制造方法,其特征在于,包括:提供一氧化石墨烯和一活性炭;将所述氧化石墨烯和所述活性炭均匀分散于一醇类中,以形成一混合物;以及对所述混合物进行单一步骤的微波加热,以均匀地将前述氧化石墨烯还原于所述活性炭的表面活性位置上,而形成一复合材料。2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述氧化石墨烯及所述活性炭的添加量的重量比介于0.05~0.5范围之间。3.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述氧化石墨烯及所述活性炭的添加量的重量比介于0.1~0.25范围之间。4.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述醇类与所述氧化石墨烯的添加量的重量比介于0.01~0.2范围之间。5.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述醇类具有碳原子数C2~C4的碳链。6.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,在分散于所述醇类之前,所提供的所述活性炭的比表面积介于500m2/g至3000m2/g之间。7.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,在分散于所述醇类之前,所提供的所述活性炭的孔径介于1nm至1000nm范围之间。8.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述微波加热的时间短于30分钟。9.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员:鐘琍菁刘柏逸方峙翔郑兹瑀邵信张敏超洪仁阳梁德明戴念华赖怡廷
申请(专利权)人:财团法人工业技术研究院
类型:发明
国别省市:中国台湾,71

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