一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于电容材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法。本发明专利技术提供的石墨烯/活性炭复合材料，通过将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应制备得到，制备工艺简单、过程可控、易于规模化制备；制备的石墨烯/活性炭复合材料比表面积高、导电性好，且具有微孔与介孔结合的层次孔结构，可以有效提高超级电容器电极材料的比电容、倍率特性和循环寿命。

A Graphene/Activated Carbon Composite and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of capacitive material preparation, in particular to a graphene/activated carbon composite material and a preparation method thereof. The graphene/activated carbon composite material provided by the invention is prepared by high temperature reaction of magnesium metal and activated carbon in carbon dioxide atmosphere, and the preparation process is simple, controllable and easy to scale up; the prepared graphene/activated carbon composite material has high specific surface area, good conductivity, and a hierarchical porous structure combining micropore and mesoporous, which can effectively improve the supercapacitance. Specific capacitance, rate characteristics and cycle life of electrode materials.

【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
本专利技术属于电容材料制备
，具体涉及一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器是一种介于物理电容器和二次电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电效率高、循环寿命长以及使用工作温度宽等优点，已在电力、交通、工业等领域得到了应用。但目前与二次电池相比，超级电容器的能量密度偏低，从而限制了超级电容器的广泛应用。电极材料是超级电容器的重要组成部分，是决定超级电容器性能的关键因素。活性炭电极材料由于其比表面积高、价格低廉，已经在超级电容器中实现商业化应用。但活性炭材料导电率低以及存在大量不规则的微孔结构，严重影响了超级电容器的功率密度和能量密度。石墨烯由于具有高的理论比表面积、高的导电性、化学稳定性好以及二维柔性结构等特点，被认为是一种优异的超级电容器电极材料。但石墨烯由于片层间具有强的π–π键和范德华力作用从而导致不可逆的团聚，致使石墨烯比表面积大大减少，进而可利用来吸附电解液离子的石墨烯活性表面减少，从而导致比电容偏低。因此，大量研究将石墨烯和活性炭结合起来，采用石墨烯与活性炭复合的方式，可以提高活性炭的导电性，同时还能有效缓解石墨烯的团聚现实，从而提高电极材料的比电容和倍率特性。例如，中国专利申请CN106206051A公开了一种石墨烯改性活性炭及其应用，将活性炭浸渍于氧化石墨烯去离子水分散液中，室温搅拌混匀，烘干，获得石墨烯改性活性炭，该材料在4A/g的电流密度下的比容量可达到22.32F/g。马俐等(马俐.活性炭/石墨烯复合气凝胶的制备与电容性能[A].第31届全国化学与物理电源学术年会论文集[C].2015:1.)研究了活性炭/石墨烯复合气凝胶的制备与电容性能，具体为在氧化石墨烯的水溶液中加入高比表面积的活性炭，经一步水热处理得到活性炭(AC)/还原氧化石墨烯(rGO)复合气凝胶材料，该材料比表面积高达2400m2/g，在1mol/LTEABF4/PC有机电解液体系中50mA/g电流密度下的比电容为145F/g，但在20A/g电流密度下只有96F/g。氧化石墨烯作为原料制备复合材料时，存在还原不彻底的问题，从而导致导电性差，而且上述方法只关注材料的比电容和电导率，这些直接体现电极材料性能的指标，对于电极材料的使用寿命等性能并不关注，此外倍率性能还需要进一步提高，以满足超级电容器高功率应用场合。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于弥补现有技术中的石墨烯/活性炭复合材料使用寿命低的缺陷，从而提供一种石墨烯/活性炭复合材料及其制备方法。为此，本专利技术的技术方案如下：一种石墨烯/活性炭复合材料的制备方法，包括，将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应的步骤，高温的温度为600-1800℃。进一步地，还包括加入氧化镁的步骤。进一步地，所述高温反应为自蔓延高温反应。进一步地，将金属镁、氧化镁和活性炭置于高温炉，在600-1800℃，二氧化碳气氛中反应20-240min。进一步地，还包括将反应后的混合物在酸性溶液中静置12-48h的步骤。进一步地，还包括将在酸性溶液中静置后的产物洗涤至中性并干燥的步骤。进一步地，所述干燥方式为50-100℃空气中干燥或冷冻干燥或喷雾干燥。进一步地，所述金属镁和活性炭的质量比为1:0.01-10。进一步地，所述金属镁、氧化镁和活性炭的质量比为1:4-8:0.01-10。进一步地，所述活性炭的比表面积为1000-3000m2/g。进一步地，所述二氧化碳气氛的压力为0.125-10MPa。进一步地，所述酸性溶液为0.2-2M的盐酸、硫酸或硝酸。本专利技术还提供一种上述制备方法制备得到的石墨烯/活性炭复合材料。进一步地，所述复合材料的比表面积为700-2700m2/g，导电率为400-10000S/m，其中石墨烯的质量分数为1-80％，石墨烯紧附与活性炭表面。本专利技术还提供一种上述制备方法或上述制备方法制备得到的石墨烯/活性炭复合材料在电容方面的应用。本专利技术技术方案，具有如下优点：1、本专利技术提供的石墨烯/活性炭复合材料，通过将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应制备得到；金属镁与CO2反应生成石墨烯在活性炭表面沉积，形成活性炭与石墨烯紧密附着的结构，大幅度提高活性炭的导电率；本专利技术工艺流程简单、过程可控、易于规模化制备。2、本专利技术提供的石墨烯/活性炭复合材料，还可以通过将金属镁、氧化镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应制备得到；优选自蔓延高温反应，加入氧化镁可以减低镁与CO2反应的剧烈程度，同时作为模板剂制备介孔石墨烯，而活性炭本身具有高的比表面积和丰富的微孔结构，因此本专利技术制备石墨烯/活性炭复合材料比表面积高、导电性好，且具有微孔与介孔结合的层次孔结构，可以有效提高超级电容器电极材料的比电容、倍率特性和循环寿命。3、本专利技术提供的石墨烯/活性炭复合材料，其中石墨烯的质量分数为1-80％，石墨烯含量过高，会导致复合材料的比表面积过低，从而导致比电容降低，石墨烯含量过低，会导致复合材料的导电率低，倍率性能差。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的石墨烯/活性炭复合材料的扫描电子显微镜照片；图2（a）为本专利技术实施例1所制备的石墨烯/活性炭复合材料的透射电子显微镜照片；图2（b）为本专利技术实施例1所制备的石墨烯/活性炭复合材料中石墨烯的透射电子显微镜照片；图3（a）为本专利技术实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所制备的石墨烯/活性炭复合材料的氮气等温吸脱附曲线；图3（b）为本专利技术实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所制备的石墨烯/活性炭复合材料的DFT孔径分布曲线；图3（c）为本专利技术实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所制备的石墨烯/活性炭复合材料的BJH孔径分布曲线；图4为本专利技术实施例1所制备的石墨烯/活性炭复合材料在1mol/L四氟硼酸四乙基铵的碳酸丙烯酯有机电解液中的循环伏安曲线，其中，扫描速率分别为100、200和500mV/s，电压窗口为0至2.7V；图5为本专利技术实施例1所制备的石墨烯/活性炭复合材料在1mol/L四氟硼酸四乙基铵的碳酸丙烯酯有机电解液中的恒流充放电曲线，其中，电流密度分别为0.5、1和2A/g，电压窗口为0至2.7V；图6为本专利技术实施例1所制备的石墨烯/活性炭复合材料在1mol/L四氟硼酸四乙基铵的碳酸丙烯酯有机电解液中的循环寿命和库伦效率，其中，电流密度为20A/g。具体实施方式提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。实施例1将Mg、MgO和活性炭三种粉末按照质量比为1：8：0.5均匀混合，将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；然后放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在二氧化碳气氛中通电点燃，得到黑色粉末；将黑色粉末在1M的盐酸溶液中静置12h，再用去离子水抽滤洗涤至中性得到滤饼，将滤饼冷本文档来自技高网...

【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，将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应的步骤，所述温度为600‑1800℃。

【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，将金属镁和活性炭在二氧化碳气氛中高温反应的步骤，所述温度为600-1800℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括加入氧化镁的步骤。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述高温反应为自蔓延高温反应。4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括将高温反应后的产物在酸性溶液中静置12-48h的步骤。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括将在酸性溶液中静置后的产物洗涤至中性并干燥的步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张熊，马衍伟，李晨，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11