一种多孔类石墨烯碳气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔类石墨烯碳气凝胶及其制备方法和应用。这种多孔类石墨烯碳气凝胶是通过以下的制备方法制得：1)将木质素进行球磨，得到预处理的前驱体；2)将前驱体与水混合，进行水热处理，得到固体产物；3)将固体产物进行冷冻干燥，得到木质素碳气凝胶；4)将木质素碳气凝胶与碳酸钾进行球磨混料，得到混合物；5)将混合物进行煅烧，得到煅烧产物；6)将煅烧产物进行中和，过滤，洗涤，干燥即可。本发明专利技术通过以木质素和碳酸钾为原料制备多孔类石墨烯碳气凝胶，可以提升碳气凝胶的石墨化程度，从而提高其稳定性。将这种孔隙结构丰富的材料应用于超级电容器领域，具有低成本，环保节能，简单易行的优势，市场前景十分广阔。

Porous graphene carbon aerogel and preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种多孔类石墨烯碳气凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及碳气凝胶
，特别是涉及一种多孔类石墨烯碳气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
木质素是第二大类的丰富的生物质，一直被认为是废弃材料，用于低热值应用。如果成功的将木质素转化为可再生资源或木质素增值到更高价值的材料，其丰富的性质可能潜在的解决地球资源快速枯竭的问题。超级电容器是介于电容器和电池之间的一种新型环保储能器件，在国防、电子信息、交通运输等方面具有广阔的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料的制备。碳材料最早作为制备超级电容器的材料，主要可分为活性炭、碳纤维、碳气凝胶、石墨、石墨烯和碳纳米管等。碳材料电容储能主要通过双电容充放电。碳材料若要具有稳定充放电以及在大电流下具有高的电容保持率，这与碳材料的结构存在必然的联系。现今超级电容器材料已经形式多样化，依靠电极表面以及内部的氧化还原反应产生的法拉第赝电容行为进行储能的金属氧化物电极；再者还有在充放电过程中可以发生氧化还原反应产生法拉第赝电容行为的导电聚合物电极。但由于这些赝电容电极在大电流下经常存在快充快放而导致结构坍塌，从而形成大电流下的电容保持率大大降低，因而当下超级电容器的材料多数制备方法还是以结构相对稳定的碳材料作为骨架，稳定电极结构并复合相应的金属氧化物或者导电聚合物，从而实现在电流下依然能保持大的电容。碳材料不仅能稳定电极材料，还能为电极材料提供稳定的双层电容。作为碳材料骨架，石墨烯基材料应用最为广泛，由于石墨烯制作成本高，工艺复杂，这大大抑制了复合型超级电容器的应用与发展。
技术实现思路
为了针对目前制备碳气凝胶作为超级电容器电极材料，存在的制备工艺复杂、耗能高、比电容小、稳定性差等不足问题，本专利技术的目的在于提供一种多孔类石墨烯碳气凝胶及其制备方法和应用。本专利技术的专利技术构思如下：通过提供一种木质素制备多孔类石墨烯碳气凝胶的方法来替代传统碳气凝胶应用于作为超级电容器，能提升碳气凝胶的石墨化程度从而达到稳定性的提高。本专利技术采用木质素这种来源易得的材料作为原材料，以碳酸钾(K2CO3)作为催化剂，制备一种花瓣状的多孔类石墨烯碳气凝胶材料。在制备过程中利用水热高温处理、冷冻干燥、机械球磨混料，使得原料能够充分混合并且在后续反应中能够充分反映，高温水热处理以及冷冻干燥可得到具有丰富孔隙结构的碳气凝胶，再经过催化剂催化得到高纯度的类石墨烯气凝胶，并且得到更加丰富的多孔结构。碳酸钾在高温下起到催化原材料石墨化的作用，使材料更容易趋近于石墨化。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：1)将木质素进行球磨，得到预处理的前驱体；2)将前驱体与水混合，进行水热处理，得到固体产物；3)将固体产物进行冷冻干燥，得到木质素碳气凝胶；4)将木质素碳气凝胶与碳酸钾进行球磨混料，得到混合物；5)将混合物进行煅烧，得到煅烧产物；6)将煅烧产物进行中和，过滤，洗涤，干燥，得到多孔类石墨烯碳气凝胶。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤1)中，球磨具体是将木质素置于球磨机中，在转速为300r/min～800r/min下球磨4h～24h；进一步优选的，步骤1)中，球磨具体是将木质素置于球磨机中，在转速为500r/min～700r/min下球磨5h～7h。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤2)中，前驱体与水的质量比为1：(1～10)；进一步优选的，前驱体与水的质量比为1：(5～8)。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤2)中，水热处理是在180℃～240℃下保温6h～24h。通过采用高温水热法处理，去除了木质素的原有杂质，形成了丰富的孔系结构并且避免了高温煅烧产生大量焦油。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤3)中，冷冻干燥前还包括将固体产物洗涤的步骤。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤3)中，冷冻干燥具体是将固体产物置于冰箱中冷冻至-10℃以下，然后将冷冻后的样品置于冷冻干燥机进行干燥，得到木质素碳气凝胶(LCA)。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤3)中，置于冷冻干燥机干燥的时间为12h～48h。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤4)中，木质素碳气凝胶与碳酸钾的质量比为1：(0.5～3)。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤4)中，球磨是将物料置于球磨机中，在转速为300r/min～800r/min下球磨2h～48h；进一步优选的，步骤4)中，球磨是将物料置于球磨机中，在转速为500r/min～700r/min下球磨4h～12h。这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤4)中，通过采用球磨的方法混合，可以使得碳气凝胶与催化剂碳酸钾能够充分混合，从而煅烧获得均相的类石墨烯碳气凝胶。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤5)中，煅烧的条件如下：升温速率为3℃/min～10℃/min；煅烧的温度为700℃～1000℃；煅烧的时间为2h～24h；煅烧在保护气氛保护下进行。本专利技术煅烧的温度控制在700℃～1000℃的范围内，能够在较低温度处理下得到高度石墨化的多孔碳气凝胶，其高温煅烧的反应原理是：在高温下，已经具有丰富三维结构的碳气凝胶中的无定形碳逐渐转变为石墨化碳，碳酸钾的催化加剧了石墨化程度，钾原子与sp3C反应生成CO离开，该碳气凝胶从而形成了多孔类石墨烯结构。进一步优选的，步骤5)中，煅烧的升温速率为3℃/min～5℃/min；煅烧的温度为800℃～900℃。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤5)中，煅烧是在流速为100mL/min～300mL/min的保护气体保护下进行；进一步优选的，步骤5)中，煅烧是在流速为100mL/min～200mL/min的保护气体保护下进行。保护气体可选自氮气、氩气或氦气。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤6)中，中和是通过加入盐酸进行中和。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤6)具体是：将煅烧产物至于装有水的容器中，加入适量的盐酸调节pH至中性，然后将溶液煮沸，趁热过滤，再用水洗涤，得到的滤渣进行真空干燥，得到多孔类石墨烯碳气凝胶。这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤6)中，加入适量的盐酸是为了中和过多的碳酸钾。调节pH至中性是指调节pH在7左右，如pH＝6.8～7.2。优选的，这种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法步骤6)中，真空干燥是在60℃～100℃下干燥6h～18h。本专利技术提供了一种多孔类石墨烯碳气凝胶。这种多孔类石墨烯碳气凝胶是由上述的制备方法制得。本专利技术还提供了上述多孔类石墨烯碳气凝胶的应用。一种多孔类石墨烯碳气凝胶在制备超级电容器中的应用，该多孔类石墨烯碳气凝胶是由上述的制备方法制得。优选的，这种应用中，是将多孔类石墨烯碳气凝胶作为超级电容器的电极材料。本专利技术的有益效果是：...

【技术保护点】
1.一种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)将木质素进行球磨，得到预处理的前驱体；/n2)将前驱体与水混合，进行水热处理，得到固体产物；/n3)将固体产物进行冷冻干燥，得到木质素碳气凝胶；/n4)将木质素碳气凝胶与碳酸钾进行球磨混料，得到混合物；/n5)将混合物进行煅烧，得到煅烧产物；/n6)将煅烧产物进行中和，过滤，洗涤，干燥，得到多孔类石墨烯碳气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔类石墨烯碳气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将木质素进行球磨，得到预处理的前驱体；
2)将前驱体与水混合，进行水热处理，得到固体产物；
3)将固体产物进行冷冻干燥，得到木质素碳气凝胶；
4)将木质素碳气凝胶与碳酸钾进行球磨混料，得到混合物；
5)将混合物进行煅烧，得到煅烧产物；
6)将煅烧产物进行中和，过滤，洗涤，干燥，得到多孔类石墨烯碳气凝胶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，球磨具体是将木质素置于球磨机中，在转速为300r/min～800r/min下球磨4h～24h。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，前驱体与水的质量比为1：(1～10)。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，水热处理是在180℃～240℃下保温6h～24h。


5.根据权利要求1所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇军，张智斌，蔡卓弟，周凤玲，谭世芝，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44