用碳纳米点制备高导电多孔石墨烯用于超级电容器应用的简单方法技术

本发明专利技术公开了用于被称为有机纳米粒子或碳纳米点的一类有前景的纳米材料的方法和组合物。本发明专利技术提供一种用于将基于生物分子的碳纳米点转化为具有优异电化学性能的高表面积三维石墨烯网络的简易方法。

A simple method of preparing highly conductive porous graphene with carbon nano dots for supercapacitor application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用碳纳米点制备高导电多孔石墨烯用于超级电容器应用的简单方法
技术介绍
全球能源供应是材料科学技术面临的最大问题之一。对于从化石燃料过渡到可再生能源，对当前技术进行重大改进和对新材料进行研究至关重要。
技术实现思路
本专利技术公开了用于被称为有机纳米粒子或碳纳米点(CND)的一类有前景的纳米材料的方法和组合物，其在从光电子学到生物医学的领域中具有多种应用。本专利技术提供一种用于将基于生物分子的CND转化为具有优异电化学性能的高表面积三维石墨烯网络的简易方法。在一些实施例中，通过较大石墨碳的氧化切割或无定形前体的碳化来制备CND。无定形前体的碳化利用含有大量氧化基团的各种生物材料和生物分子将无定形碳转化为石墨碳。通过控制碳化过程中的条件(诸如温度和压力)，并选择合适的前体，可以改变CND的关键电化学性质。本专利技术认识到，CND的可调最佳形态和电子性质，诸如表面积、结晶域和电荷俘获中心，使得CND能够在储能装置中用作电活性组分，诸如电化学电容器、超级电容器、电池、混合超级电容器和赝电容器。尽管CND固有的低导电率和复杂的电化学行为可能会阻碍其在超级电容器中的直接应用，但是它们丰富的表面官能团使得能够进行大量的改性和反应。例如，在一些实施例中，热处理(热解)可用于实现此类材料性质的改变或通过光或激光照射转换为石墨烯。此外，由于CND含有石墨/石墨烯核以形成更小的石墨烯同系物，因此它们可以被用作更大的扩展π体系的前体。本专利技术提供一种包含混层石墨烯的碳网络。在一些实施例中，包含混层石墨烯的碳网络具有至少约230平方米/克(m2/g)的活性表面积。在一些实施例中，包含混层石墨烯的碳网络具有至少约100m2/g，至少约120m2/g，至少约140m2/g，至少约160m2/g，至少约180m2/g，至少约200m2/g，至少约220m2/g，至少约240m2/g，至少约260m2/g的活性表面积，至少约280m2/g或至少约300m2/g的活性表面积。在一些实施例中，包含混层石墨烯的碳网络具有至少约200西门子/米(S/m)的导电率。在一些实施例中，包含混层石墨烯的碳网络具有至少约100S/m，至少约120S/m，至少约140S/m，至少约160S/m，至少约180S/m，至少约200S/m，至少约220S/m，至少约240S/m，至少约260S/m，至少约280S/m或至少约300S/m的导电率。在一些实施例中，多孔碳网络具有约10纳米(nm)至约100,000nm的平均孔径。在一些实施例中，多孔碳网络具有至少约10nm的平均孔径。在一些实施例中，多孔碳网络具有至多约100,000nm的平均孔径。在一些实施例中，多孔碳网络具有约10nm至约50nm，约10nm至约100nm，约10nm至约500nm，约10nm至约1,000nm，约10nm至约5,000nm，约10nm至约10,000nm，约10nm至约50,000nm，约10nm至约100,000nm，约50nm至约100nm，约50nm至约500nm，约50nm至约1,000nm，约50nm至约5,000nm，约50nm至约10,000nm，约50nm至约50,000nm，约50nm至约100,000nm，约100nm至约500nm，约100nm至约1,000nm，约100nm至约5,000nm，约100nm至约10,000nm，约100nm至约50,000nm，约100nm至约100,000nm，约500nm至约1,000nm，约500nm至约5,000nm，约500nm至约10,000nm，约500nm至约50,000nm，约500nm至约100,000nm，约1,000nm至约5,000nm，约1,000nm至约10,000nm，约1,000nm至约50,000nm，约1,000nm至约100,000nm，约5,000nm至约10,000nm，约5,000nm至约50,000nm，约5,000nm至约100,000nm，约10,000nm至约50,000nm，约10,000nm至约100,000nm，或约50,000nm至约100,000nm的平均孔径。在一些实施例中，多孔碳网络具有约10nm，约50nm，约100nm，约500nm，约1,000nm，约5,000nm，约10,000nm，约50,000nm或约100,000nm的平均孔径。在一些实施例中，多孔碳网络具有至少约10nm，至少约50nm，至少约100nm，至少约500nm，至少约1,000nm，至少约5,000nm，至少约10,000nm，至少约50,000nm或至少约100,000nm的平均孔径。在一些实施例中，多孔碳网络具有不大于约10nm，不大于约50nm，不大于约100nm，不大于约500nm，不大于约1,000nm，不大于约5,000nm，不大于约10,000nm，不大于约50,000nm或不大于约100,000nm的平均孔径。在一些实施例中，碳网络具有拉曼光谱，所述拉曼光谱在约1323cm-1，约1570cm-1，约1604cm-1和约2636cm-1处具有D-，G-，D’和G’-谱带。在一些实施例中，碳网络还包括具有拉曼光谱的无定形碳结构，所述拉曼光谱在约1324cm-1处具有D谱带。在一些实施例中，碳网络还包括具有拉曼光谱的无定形碳结构，所述拉曼光谱在约1468cm-1处具有D**谱带。在一些实施例中，碳网络还包括具有拉曼光谱的无定形碳结构，所述拉曼光谱在约1574cm-1处具有G谱带。在一些实施例中，碳网络具有G’谱带光谱曲线，所述光谱曲线具有约74cm-1的半峰全宽。在一些实施例中，碳网络的元素组成包括约89％碳，约8％氧以及氮。在一些实施例中，碳网络的元素组成包括约89％碳，约8％氧和约3％氮。在一些实施例中，碳网络的元素组成包括89％碳，8％氧和3％氮。在其它一些实施例中，碳网络的元素组成包括约90％碳，约8％氧以及氮。本专利技术还提供一种储能装置，包括：第一电极；以及通过电介质与第一电极隔开的第二电极，其中第一电极和第二电极中的至少一个包括碳网络，所述碳网络包括混层石墨烯。在一些实施例中，储能装置具有至少约230m2/g的活性表面积。在一些实施例中，储能装置具有至少约100m2/g，至少约120m2/g，至少约140m2/g，至少约160m2/g，至少约180m2/g，至少约200m2/g，至少约220m2/g，至少约240m2/g，至少约260m2/g，至少约280m2/g或至少约300m2/g的活性表面积。在一些实施例中，储能装置具有至少约200S/m的导电率。在一些实施例中，储能装置具有至少约100S/m，至少约120S/m，至少约140S/m，至少约160S/m，至少约180S/m，至少约200S/m，至少约220S/m，至少约240S/m，至少约260S/m，至少约280S/m或至少约300S/m的导电率。在一些实施例中，储能装置在至少约860千瓦的功率密度下具有约7.5瓦时/千克(Wh/kg)的能量密度。在一些实施例中，储能装置在功率密度为至少约800kWkg-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储能装置，包括:/na.第一电极；以及/nb.通过电介质与所述第一电极隔开的第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括碳网络，所述碳网络包括混层石墨烯，并且其中所述储能装置具有至多约8毫秒的充放电循环速率时间常数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170714 US 62/532,6841.一种储能装置，包括:
a.第一电极；以及
b.通过电介质与所述第一电极隔开的第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括碳网络，所述碳网络包括混层石墨烯，并且其中所述储能装置具有至多约8毫秒的充放电循环速率时间常数。


2.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述碳网络为多孔的。


3.根据权利要求2所述的储能装置，其中所述碳网络的平均孔径为约10纳米(nm)至约10,000nm。


4.根据权利要求3所述的储能装置，其中所述碳网络的元素组成包括约90％碳，约8％氧以及氮。


5.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个具有至少约100平方米/克的活性表面积。


6.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个具有至少约200西门子/米的导电率。


7.根据权利要求1所述的储能装置，所述储能装置在至少约860千瓦的功率密度下具有至少约3瓦特小时/千克的能量密度。


8.根据权利要求1所述的储能装置，所述储能装置具有至少约4法拉/克的质量比电容。


9.根据权利要求1所述的储能装置，所述储能装置具有至少约30毫法拉/平方厘米的体积比电容。


10.根据权利要求1所述的储能装置，所述储能装置在大约20,000次充放电循环后保持至少大约94％的电容。


11.一种合成碳网络的方法，包括：
a.将碳纳米点(CND)在溶剂中溶解以形成CND浆料；
b.将所述CND浆料浇铸到基材上；
c.对所述基材上的所述CND浆料进行干燥以形成CND膜；以及
d.用光束照射所述CND膜，以将所述CND膜的至少一部分转化成混层石墨烯。


12.根据权利要求11所述的方法，其中用所述光束照射所述CND膜是在预定...

【专利技术属性】
技术研发人员：福尔克·施特劳斯，理查德·B·卡内尔，马厄·F·埃尔卡迪，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US