一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和电化学应用技术

本发明专利技术涉及一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和电化学应用。本发明专利技术采用生物质鱼鳞为原料，酸碱预处理后，经生物酶解方法液化，得到均一的液相碳源，引入催化剂后高温碳化，后处理得到石墨化纳米碳材料。具体制备方法如下：碳源与金属离子配位复合；经固化处理得到金属

【技术实现步骤摘要】
一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和电化学应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，涉及一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和电化学应用。

技术介绍

[0002]近几十年来，将低值的生物质转化为高品质、高能量密度、清洁、零二氧化碳排放的具有商业价值的材料成为研究热点。 生物质作为一种天然的有机高分子物质，碳元素含量高、可利用性广、成本低、资源可再生，具有广阔的发展前景。因此，它们常被作为碳前驱体构建生物碳材料，在超级电容器、电催化、电化学传感器和锂/钠离子电池等领域有广发的应用。 近年来，人们对天然生物质转化成各种功能碳材料进行了广泛的研究。碳骨架中的杂原子和较大的表面积有利于离子扩散和加速电子转移反应，是影响其在能量储存和转换方面应用的重要因素。尽管生物质碳材料电极具有广阔的发展前景，但合理及高效的构建满足能量存储和转换需求的碳材料电极至今仍是一个巨大的挑战。

技术实现思路

[0003]鉴于此，本专利技术提供了一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的石墨化纳米碳材料制备方法简单、易操作、产量高，作为超级电容器电极材料时，具有极高的比电容和循环稳定性。
[0004]本专利技术提供了一种石墨化纳米碳材料，所述石墨化纳米碳材料具有多孔结构；所示石墨化纳米碳材料具有片层结构。
[0005]优选地，所述石墨化纳米碳比表面积为900~1300 m
2 g
‑1。
[0006]优选地，所述石墨化纳米碳具有较薄的平整片层状结构。
[0007]本专利技术提供了上述技术方案所述石墨化纳米碳材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将生物质鱼鳞依次用强酸和强碱溶液浸泡，然后超纯水清洗干净，沥干水分，加入定量生物酶和超纯水搅拌反应24 h，经过滤得到液态溶液；（2）将步骤1所制备的溶液与一定量的金属催化剂在40~50 ℃混合搅拌均匀，然后真空干燥2~24 h，得到固体物质；(3) 以4~12 ℃ min
‑1的速率升温至800~1000℃，在气流量为80~120 ml min
‑1条件下，对步骤2的所得固体进行碳化处理2~8 h；（4）对步骤3所得产物进行酸处理，去除其中金属物质，得到黑色固体；（5）对步骤4所得的产物进行化学碱活化处理，即得石墨化纳米碳材料。
[0008]优选地，所述所述强碱溶液的摩尔浓度优选为1~20 mol L
‑1，所述强碱溶液为氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液；所述强酸浓度为10~40 %，所述强酸为浓盐酸；所述酶的质量浓度为10~40 %，所述酶为碱性蛋白酶。
[0009]优选地，所述催化剂和生物质前驱物的质量比为1：（1~3）；所述催化剂为铁氰化钾、亚铁氰化钾、氯化铁、硝酸铁或硫酸铁。
[0010]优选地，所述碳化温度为800~1000 ℃，时间为2~4 h，升温至碳化温度的升温速率为4~12 ℃ min
‑1。
[0011]本专利技术提供了上述技术方案所述二维石墨化纳米碳材料或上述技术方案所述制备方法得到的二维石墨化纳米碳材料在超级电容器电极材料中的应用。
[0012]本专利技术提供的石墨化纳米碳材料为多孔片层状结构，由多孔的二维碳膜构成，比表面积大，石墨化程度高，且氮掺杂，有利于提高材料实际使用时的比电容量。由实施例的结果表明，本专利技术提供的石墨化纳米碳材料修饰的泡沫镍电极在在1 A g
‑1电流密度下的最优比电容为448 F g
‑1。1A g
‑1的电流密度下经5000次循环后电极的容量保持率为94.92~98.46%，交流阻抗测试结果显示其电荷转移电阻为0.15~0.34 Ω。
附图说明
[0013]图1为实施例1制备的石墨化纳米碳材料的透射电镜图。
[0014]图2为实施例1制备的石墨化纳米碳材料的X射线衍射谱线图。
[0015]图3为实施例1制备的石墨化纳米碳材料的X射线光电子能谱图。
[0016]图4为实施例1制备的石墨化纳米碳材料中的C1s的芯能级区XPS谱图。
[0017]图5为实施例1制备的石墨化纳米碳材料中的O1s的芯能级区XPS谱图。
[0018]图6为实施例1制备的石墨化纳米碳材料中的N1s的芯能级区XPS谱图。
[0019]图7为应用例1石墨化纳米碳材料的吸附等温曲线。
[0020]图8为应用例1石墨化纳米碳材料的孔径分布曲线。
[0021]图9为应用例1石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极作为工作电极扫描的循环伏安曲线图。
[0022]图10为应用例1石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极作为工作电极扫描的恒流充放电曲线图。
[0023]图11为应用例1石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极作为工作电极时的Nyquist曲线图。
[0024]图12为应用例1石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极循环稳定性测试图。
[0025]图13为应用例2石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极作为工作电极扫描的循环伏安曲线图。
[0026]图14为应用例2石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极作为工作电极扫描的恒流充放电曲线图。
[0027]图15为应用例2石墨化纳米碳材料/泡沫镍超级电容器电极作为工作电极时的Nyquist曲线图。
[0028]具体实施方式
[0029]本专利技术提供了一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和电化学应用，本专利技术提供的石墨化纳米碳材料制备方法简单、易操作、产量高，作为超级电容器电极材料时，具有极高的比电容和循环稳定性。
[0030]本专利技术提供的所述石墨化纳米碳比表面积为900~1300m
2 g
‑1。
[0031]优选地，所述石墨化纳米碳具有较薄的片层状结构。
[0032]在本专利技术中，所述石墨化纳米碳材料的制备方法优选包括以下步骤：首先将生物
质原料经酸碱先后处理，再经酶解得到液化的生物质。
[0033]在本专利技术中，所述生物质原料优选为鱼鳞；本专利技术优选对所述生物质原料进行前处理，在本专利技术中，所述前处理优选包括：将生物质原料依次进行洗涤、干燥、酸处理、碱处理和酶解，在本专利技术中，所述洗涤优选为水洗，本专利技术对所述干燥的具体实施过程没有特殊要求。
[0034]在本专利技术中，所述碱处理优选为氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液，所述强碱溶液的摩尔浓度优选为1~20 mol L
‑1，更优选为5~10% mol L
‑1。
[0035]在本专利技术中，所述强酸溶液优选为浓盐酸，所述强酸的质量浓度优选为10~40 %，更优选为20~30%。
[0036]在本专利技术中，所述生物质原料的湿重质量和强碱溶液或强酸溶液的体积比优选为（40~50）g：（240~300）mL。
[0037]在本专利技术中，所述生物酶优选为碱性蛋白酶溶液，优选质量浓度10~40 %，更优选为25%~35%。
[0038]本专利技术对所述生物质原料和强碱或强酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维石墨化纳米碳材料及其制备方法和应用，其特征在于，按以下步骤：（1）将生物质鱼鳞依次用强酸和强碱溶液浸泡处理，然后超纯水清洗干净，沥干水分，加入定量生物酶和超纯水搅拌反应24 h，经过滤得到液态溶液；（2）将步骤1所制备的溶液与一定量的金属催化剂在40
‑
50 ℃混合搅拌均匀，然后真空干燥2~24 h，得到固体物质；(3) 以4~12 ℃/min的速率升温至800~1000 ℃，在气流量为80~120 mL min
‑1条件下，对步骤2的所得固体进行碳化处理2~8 h；（4）对步骤3所得产物进行酸处理，去除其中金属物质，得到黑色固体；（5）对步骤4所得的产物进行化学碱活化处理，即得石墨化纳米碳材料；（6）将步骤5所得材料与一定量粘结剂和导电剂混合成浆料，刮涂在已经处理好的泡沫镍（NF，尺寸1
×
1 cm）上制成泡沫镍电解；（7）构建三电极体系，对步骤（6）所得电极进行电化学测试。2.根据权利要求1所述的石墨化纳米碳材料，其特征在于，步骤1中所使用的HCl浓度为10~40%，NaOH的浓度为1~20 mol L
‑1；鱼鳞和HCl/NaOH的质量体积比均为（30~50）g：（200~300）mL。3.根据权利要求1和2所述的石墨化纳米碳的制备及应用，其特征在于所采用的金属催化剂包括：铁氰化钾、亚铁氰化钾、氯化铁、硝酸铁或硫酸铁。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，王宝丽，施璠，姚昱岑，闫丽君，艾益静，张泽俊，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：