一种石墨烯活性炭复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯活性炭复合材料及其制备方法和应用。这种石墨烯活性炭复合材料是由以下的制备方法制得：1)预氧化处理：将石油焦和石墨烯混合，在氧化性气体条件下进行预氧化处理；2)活化：将预氧化处理后的混合物料和活化剂混合，在惰性气体条件下进行活化；3)热处理：将活化后的产物纯化、干燥，然后在保护性气体条件下进行热处理。同时也公开了这种石墨烯活性炭复合材料在制备电极材料中的应用。本发明专利技术的方法可以实现石墨烯与石油焦的原位复合，然后利用石墨烯高导热特性提高活化过程热量的高效利用，制备出的石墨烯活性炭复合电极表现较高的导电性和容量。

A Graphene Activated Carbon Composite Material and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a graphene activated carbon composite material, a preparation method and application thereof. The graphene activated carbon composite material is prepared by the following preparation methods: 1) pre-oxidation treatment: mixing petroleum coke and graphene, pre-oxidation treatment under oxidizing gas condition; 2) activation: mixing pre-oxidation treated mixed material and activator, activation under inert gas condition; 3) heat treatment: purifying, drying and conserving the activated product. Heat treatment under protective gas condition. The application of the graphene activated carbon composite material in the preparation of electrode materials is also disclosed. The method of the invention can realize the in-situ composite of graphene and petroleum coke, and then utilize the high thermal conductivity of graphene to improve the efficient utilization of heat in activation process, and the graphene activated carbon composite electrode prepared has high conductivity and capacity.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯活性炭复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种石墨烯活性炭复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在能源日益短缺、环境污染严重和经济发展快速的社会背景下，超级电容器作为新型的环保节能器件越来越受到人们的关注。它具有安全性高、无需维护，并且能够大电流充放电，具有近十万次的循环寿命，功率密度比二次电池高近百倍的特点。目前决定超级电容器优异性能关键材料是多孔活性炭材料。然而，活性炭材料导电性较差和较高接触电阻的特点限制其在高功率超级电容器中的应用。石墨烯材料由于具有较高比表面积，高的导电导热特性，在改性活性炭材料上具有较大的应用潜力。目前市场上一种是在制备电极片时添加石墨烯导电浆料为导电剂添加进去，另一种是制备石墨烯活性炭复合材料。总的来说，石墨烯与活性炭材料的匹配问题，分散问题和结合作用是制备石墨烯改性活性炭材料的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术制备石墨烯改性活性炭的问题，从而提供一种石墨烯活性炭复合材料及其制备方法和应用。本专利技术所采取的技术方案是：一种石墨烯活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)预氧化处理：将石油焦和石墨烯混合，在氧化性气体条件下进行预氧化处理；2)活化：将预氧化处理后的混合物料和活化剂混合，在惰性气体条件下进行活化；3)热处理：将活化后的产物纯化、干燥，然后在保护性气体条件下进行热处理，得到石墨烯活性炭复合材料。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，石油焦和石墨烯的质量比为100：(0.1～10)；进一步优选的，石油焦和石墨烯的质量比为100：(0.1～8)；再进一步优选的，石油焦和石墨烯的质量比为100：(0.1～5)。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，预氧化处理的温度为250℃～450℃，预氧化处理的时间为1h～3h；进一步优选的，预氧化处理的温度为250℃～400℃，预氧化处理的时间为1h～2.5h；再进一步优选的，预氧化处理的温度为280℃～350℃，预氧化处理的时间为1.5h～2h。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，预氧化处理时从室温升温至前述的预氧化温度，升温的速率为5℃/min～10℃/min。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，石油焦为针状焦、海绵焦、球状焦、沥青焦中的至少一种。本专利技术所用的石油焦为煅烧前石油焦(生焦)。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，石油焦的粒径小于300μm。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，石墨烯为氧化石墨烯、还原石墨烯、物理剥离石墨烯中的至少一种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，氧化性气体为空气、氧气、臭氧、一氧化氮中的至少一种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，混合的方法为超声分散、真空搅拌、机械研磨中的至少一种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，预氧化处理是在封闭式炉体中进行的；进一步优选的，封闭式炉体为箱式炉、真空炉、回转炉、辊道炉、推板炉、管式炉中的任意一种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤1)中，预氧化处理中，氧化性气体的流速为100mL/min～600mL/min。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤2)中，预氧化处理后的混合物料和活化剂的质量比为1：(2.5～4)；进一步优选的，预氧化处理后的混合物料和活化剂的质量比为1：(2.7～3.7)；再进一步优选的，预氧化处理后的混合物料和活化剂的质量比为1：(2.8～3.5)。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤2)中，活化的温度为550℃～800℃，活化的时间为0.5h～3h；进一步优选的，活化的温度为600℃～780℃，活化的时间为1h～3h；再进一步优选的，活化的温度为680℃～750℃，活化的时间为1.5h～3h。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤2)中，活化处理时从室温升温至前述的活化温度，升温的速率为5℃/min～20℃/min。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤2)中，活化剂为碱金属或碱土金属的氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐中的至少一种；进一步优选的，活化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化铯、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种；再进一步优选的，活化剂为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤2)中，惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气中的至少一种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤3)中，纯化为将活化产物先水洗至中性，再酸处理，然后再水洗至中性；酸处理所用的酸为盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种，酸洗所用酸的质量浓度为1wt％～20wt％，酸处理温度为60℃～150℃，时间为1h～5h；干燥的温度为60℃～150℃，干燥的时间为2h～24h。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤3)中，保护性气体为氢气、氨气、氮气、氩气、氦气、氖气中的至少一种。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤3)中，热处理的温度为550℃～900℃，热处理的时间为0.5h～3h；进一步优选的，热处理的温度为650℃～900℃，热处理的时间为1h～3h；再进一步优选的，热处理的温度为750℃～900℃，热处理的时间为2h～3h。优选的，这种石墨烯活性炭复合材料的制备方法步骤2)中，热处理时从室温升温至前述的热处理温度，升温的速率为8℃/min～12℃/min。一种石墨烯活性炭复合材料，是由上述的制备方法制得。这种石墨烯活性炭复合材料在制备电极材料中的应用。一种石墨烯活性炭复合电极，包括这种石墨烯活性炭复合材料。优选的，一种石墨烯活性炭复合电极，是由石墨烯活性炭复合材料、导电剂和聚四氟乙烯(PTFE)按质量比(85～90)：(5～10)：5组成的；进一步优选的，石墨烯活性炭复合电极中，石墨烯活性炭复合材料、导电剂和聚四氟乙烯的质量比为85:10:5；再进一步的，导电剂优选为乙炔黑。优选的，这种石墨烯活性炭复合电极作为一种超级电容器的电极。本专利技术的有益效果是：本专利技术的方法可以实现石墨烯与石油焦的原位复合，然后利用石墨烯高导热特性提高活化过程热量的高效利用，制备出的石墨烯活性炭复合电极表现较高的导电性和容量。本专利技术的优点具体如下：1)预氧化处理一方面可以氧化分解石油焦中的有机成分，形成一定的孔隙和表面含氧官能团，有利于碱活化过程中碱性活化剂在石油焦中的扩散和活化；另一方面可以借助含氧官能团实现活性炭与石墨烯的原位复合。2)在活化过程中高导热石墨烯可以将热量快速传导给炭化料，实现热量的高效利用和均匀分布，从而提高产品均一性。3)石墨烯的原位复合可以增加材料间接触面积，形成导电网络，有效提高材料导电性。附图说明图1是实施例1石墨烯活性炭复合材料的扫描电镜图；图2是实施例1石墨烯活性炭复合材料的X射线衍射图；图3是实施例1、对比例1和对比例2的电化学阻抗谱图。具体实施方式以下通过具体的实施例对本专利技术的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。实施例1将过200目筛针状焦粉末和氧化石墨烯粉体按照质量比100:0.5真空搅拌混合，置于管式炉中，以2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯活性炭复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)预氧化处理：将石油焦和石墨烯混合，在氧化性气体条件下进行预氧化处理；2)活化：将预氧化处理后的混合物料和活化剂混合，在惰性气体条件下进行活化；3)热处理：将活化后的产物纯化、干燥，然后在保护性气体条件下进行热处理，得到石墨烯活性炭复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯活性炭复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)预氧化处理：将石油焦和石墨烯混合，在氧化性气体条件下进行预氧化处理；2)活化：将预氧化处理后的混合物料和活化剂混合，在惰性气体条件下进行活化；3)热处理：将活化后的产物纯化、干燥，然后在保护性气体条件下进行热处理，得到石墨烯活性炭复合材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯活性炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，石油焦和石墨烯的质量比为100：(0.1～10)；预氧化处理的温度为250℃～450℃，预氧化处理的时间为1h～3h。3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯活性炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，石油焦为针状焦、海绵焦、球状焦、沥青焦中的至少一种；石油焦的粒径小于300μm。4.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯活性炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，石墨烯为氧化石墨烯、还原石墨烯、物理剥离石墨烯中的至少一种。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李桂林，梁亚涛，朱红芳，陈钢，杨正高，
申请(专利权)人：广东聚石化学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44