一种层状结构纸基碳电极制备方法技术

本发明专利技术提供了一种层状结构纸基碳电极制备方法，包括以下步骤：1)将废纸浸泡在复合催化剂溶液中，浸透后取出，干燥；2)将活化剂和碳材料分散在水溶性热固性树脂中，得到活化剂‑碳材料‑水溶性热固性树脂混合溶液；3)将浸有复合催化剂的废纸浸泡在活化剂‑碳材料‑水溶性热固性树脂混合溶液中，浸透后取出，干燥；4)将上述干燥后的废纸逐层叠加，热压胶合，得到纸基‑树脂复合材料；5)把所述纸基‑树脂复合材料放置在夹板中，烧结，冷却，洗涤，得到纸基层状电极材料。通过本发明专利技术方法制备的纸基碳电极在宏观上具有明显的层状结构，在微观上具有三维网络结构。采用此方法制备的层状结构复合碳电极用作超级电容器的电极材料，可获得了较高的比电容。

A Method for Preparing Layered Paper-based Carbon Electrode

【技术实现步骤摘要】
一种层状结构纸基碳电极制备方法
本专利技术涉及新能源超级电容器
，特别地，涉及一种层状结构纸基碳电极制备方法。
技术介绍
超级电容器由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优势而应用广泛。其中电极材料是决定超级电容器性能和生产成本的关键因素，研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。目前用作超级电容器电极的材料主要有碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料三类。其中，碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料，其比表面积是决定电容器容量的重要因素，但只有大于2nm(水系)或5nm(非水系)的孔才对形成双电层有利，所以在提高比表面积的同时要调控孔径分布。同时，碳材料的表面性能(官能团)、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响。现在已有许多不同类型的碳材料被证明可用于制作超级电容器的极化电极，如活性炭、活性炭纤维、碳气溶胶、碳纳米管以及某些有机物的裂解碳化产物等。肖文杰等利用多步水热法制备出“类三明治结构”的镍钴氧/石墨烯/氧化镍层状复合材料；金起载等将阴极和阳极弯曲成垂直截面为z字形，再涂活性材料层而构成电极；韩杰等以聚苯乙烯球为硬模板，合成粒径均一的PS/PAN/MnO2复合材料制备三明治结构碳/MnO2电极；张登松等在石墨烯表面化学气相沉积，原位生长碳纳米管，实现低沉本、大规模制备碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料；陈海群等将石墨于有机溶剂中超声或球磨剥离后加入一定浓度的金属盐溶液搅拌至均相，再加入稀HNO3在100-130℃下反应4-8h，经抽滤、洗涤和低温干燥后得到三明治结构的复合石墨烯纸电极材料；张治安等将壳聚糖与锌盐类造孔剂混合均匀，经碳化处理，得到多孔碳纳米片，然后将其浸泡在可溶性镍盐溶液中，取出干燥，经CVD气相沉积，得到三明治结构碳基复合材料；包海峰等以水滑石为原料，再以其焙烧产物双金属复合氧化物为模板，利用其独特记忆特性使其可恢复成水滑石的层状结构，对插入水滑石分子层间的酚醛树脂低聚物进行约束，进而使得酚醛树脂在层间形成层状排列结构，对其进行碳化后最终获得具有层状结构的碳电极材料；阮殿波等将活性炭悬浮液与氧化石墨烯悬浮液混合得到混合悬浮液，搅拌3h使得氧化石墨烯和活性炭充分混合，二者交错叠加形成夹心复合结构，然后以此作为电极材料。在上述研究中主要存在以下一些不足：1)大部分电极材料多为粉末状，需要通过导电胶与集流体组装成电极；2)部分碳电极材料需要通过二次活化调节孔隙；3)多为粉末或整体的三维网状，结构较为单一；4)大部分掺杂金属单质、金属氧化物以及石墨烯、碳纳米管的碳电极制备工艺复杂；5)有些电极材料在制备过程中使用有机溶剂。因此，本专利技术提出了一种纸基碳电极制备方法的新型技术。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种具有层状结构的纸基碳电极制备方法，以解决上述现有技术中存在的不足。为实现上述目的，本专利技术提供了一种纸基碳电极制备方法，具体包括以下步骤：步骤1)将废纸浸泡在复合催化剂溶液中，浸透后取出，干燥；步骤2)将活化剂和碳材料分散在水溶性热固性树脂中，得到活化剂-碳材料-水溶性热固性树脂混合溶液；步骤3)将浸有复合催化剂的废纸浸泡在所述活化剂-碳材料-水溶性热固性树脂混合溶液中，浸透后取出，干燥；步骤4)将上述干燥后的废纸逐层叠加，热压胶合，得到纸基-树脂复合材料；步骤5)把所述纸基-树脂复合材料放置在夹板中，烧结，冷却，洗涤，得到纸基层状电极材料；其中，所述步骤1)中复合催化剂溶液为硼酸盐和金属盐按等摩尔比浓度、等体积混合而成；所述步骤2)中所述水溶性热固性树脂的固含量为50％，其中，活化剂：碳材料：水溶性热固性树脂的质量比为5～20：1～10：10～50。进一步的，所述步骤1)中所述复合催化剂溶液的浓度为0.5～5mol/L。进一步的，所述步骤4)中热压胶合的温度为120℃-160℃。进一步的，所述步骤5)中所述纸基-树脂复合材料夹在刚玉板之间，置于烧结炉中惰性气体保护，以2-6℃/min的升温速度升温至800℃-1200℃的温度，保温烧结1-4h，冷却后用去离子水洗涤至中性，得到具有层状结构的纸基层状电极材料。进一步的，所述废纸为废旧打印纸、卫生纸、餐巾纸、废报纸、旧书的废纸或瓦楞纸板中的一种或几种。进一步的，所述步骤1)中金属盐为铁盐、钴盐、镍盐中的一种或几种。进一步的，所述步骤2)中所述活化剂为碱性活化剂，碱性活化剂为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、氢氧化钾或氢氧化钠中的一种或几种。进一步的，所述步骤2)中碳材料为活性炭、多孔碳、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种或几种。进一步的，所述步骤2)中水溶性热固性树脂为水溶性酚醛树脂、水溶性呋喃树脂、水溶性环氧树脂或水溶性糠醛树脂中的一种或几种。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术提供一种层状结构纸基碳电极制备方法，由于使用了硼酸盐与铁、钴、镍等金属盐配置的混合物溶液作为石墨化催化剂，使碳材料中部分无定形碳和玻璃碳具有石墨化倾向，加之金属离子在烧结过程中部分被还原成金属单质，因此，导电性能增强。铁、钴、镍等金属盐在烧结过程中除了被还原成金属单质外，部分以纳米粒子的形式掺杂，与金属碳化物一起构成电极的骨架结构。同时，硼酸盐的使用能够提高碳材料中部分无定形碳和玻璃碳的石墨化程度。而且，所使用的活性炭、多孔碳、石墨烯和碳纳米管等碳材料，以及废纸和水溶性热固性树脂(所述水溶性热固性树脂具体为在固化之前是可溶于水的，固化后成为不溶、不熔的固体的一类树脂)烧结后所生成的无定形碳与玻璃碳均属于炭素材料，其界面易于融合，有利于减小电阻，增加导电性。2)本专利技术提供一种纸基层状结构碳电极制备方法，由于添加了活化剂，因此不需要进行二次活化烧结。同时，在制备过程中不使用有机溶剂，有利于环境保护。3)本专利技术提供一种层状结构纸基碳电极制备方法，在制备过程中使用的水溶性热固性树脂在烧结后转化为玻璃碳，呈三维网络状分布在电极中，使得电极具有较高的强度，可延长使用寿命。4)与传统电极相比，本专利技术中每一个片层单元类似一个单电极，多个片层单元所构成的层状结构可视为多个单电极的串联，因此具有较高的容量。5)本专利技术提供一种纸基碳电极制备方法，从节约资源的角度出发，以废纸为基材，分别浸渍含碳纳米管、石墨烯等碳材料的碱性水溶性热固性树脂，经热压固化后烧结而得到具有层状结构的碳电极。在烧结过程中，将催化石墨化和活化一次性完成，具有制备工艺简单、比表面积大、层状结构清晰的特点。在微观上，每一张纸均形成一个片层单元，由石墨化碳、无定形碳、玻璃碳和金属纳米粒子以及所加载的活性炭、多孔碳、石墨烯与碳纳米管等构成，片层单元内部呈现出三维网络结构。在宏观上，表现为由多个片层结构单元所组成的、具有层状结构的固体块状形态，可直接作为超级电容的电极使用而无需集流体。6)采用本专利技术方法制备的层状结构复合碳电极用作超级电容器的电极材料，可获得较高的比电容。实验结果表明：以6mol/L的KOH溶液为电解质，层状碳电极、饱和甘汞电极和铂片电极分别作为工作电极、参比电极和对电极，在0.5A电流密度下，其比电容可达327.8-366.5F/g；经5000次循环后比电容保持率为94.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纸基碳电极制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1)将废纸浸泡在复合催化剂溶液中，浸透后取出，干燥；步骤2)将活化剂和碳材料分散在水溶性热固性树脂中，得到活化剂‑碳材料‑水溶性热固性树脂混合溶液；步骤3)将浸有复合催化剂的废纸浸泡在所述活化剂‑碳材料‑水溶性热固性树脂混合溶液中，浸透后取出，干燥；步骤4)将上述干燥后的废纸逐层叠加，热压胶合，得到纸基‑树脂复合材料；步骤5)把所述纸基‑树脂复合材料放置在夹板中，烧结，冷却，洗涤，得到纸基层状电极材料；其中，所述步骤1)中复合催化剂溶液为硼酸盐和金属盐按等摩尔比浓度、等体积混合而成；所述步骤2)中所述水溶性热固性树脂的固含量为50％，其中，活化剂：碳材料：水溶性热固性树脂的质量比为5～20：1～10：10～50。

【技术特征摘要】
1.一种纸基碳电极制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1)将废纸浸泡在复合催化剂溶液中，浸透后取出，干燥；步骤2)将活化剂和碳材料分散在水溶性热固性树脂中，得到活化剂-碳材料-水溶性热固性树脂混合溶液；步骤3)将浸有复合催化剂的废纸浸泡在所述活化剂-碳材料-水溶性热固性树脂混合溶液中，浸透后取出，干燥；步骤4)将上述干燥后的废纸逐层叠加，热压胶合，得到纸基-树脂复合材料；步骤5)把所述纸基-树脂复合材料放置在夹板中，烧结，冷却，洗涤，得到纸基层状电极材料；其中，所述步骤1)中复合催化剂溶液为硼酸盐和金属盐按等摩尔比浓度、等体积混合而成；所述步骤2)中所述水溶性热固性树脂的固含量为50％，其中，活化剂：碳材料：水溶性热固性树脂的质量比为5～20：1～10：10～50。2.根据权利要求1所述的一种纸基碳电极制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述复合催化剂溶液的浓度为0.5～5mol/L。3.根据权利要求1所述的一种纸基碳电极制备方法，其特征在于，所述步骤4)中热压胶合的温度为120℃-160℃。4.根据权利要求1所述的一种纸基碳电极制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：余先纯，孙振宇，孙德林，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43