一种具有自支撑的柔性碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有自支撑的柔性碳材料及其制备方法和应用。其包括以下步骤：(1)以碳毡分别作为工作电极和对电极，于电解液中通电2～10min后，清洗干燥，得到电化学剥离的碳毡；(2)将含氮导电聚合物单体和碱液的混合液作为电解液，以步骤(1)处理的碳毡作为工作电极构建三电极体系进行电化学处理，清洗干燥，得到负载含氮导电聚合物的碳毡；(3)于保护气体氛围中，800～900℃热处理步骤(2)所得碳毡1～2h，冷却至室温后洗涤烘干即可。本发明专利技术通过一步高温工艺便能同时完成元素掺杂和活化两个步骤，制备的柔性碳材料具有优异的电化学性能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自支撑的柔性碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于柔性电极材料制备
，具体涉及一种具有自支撑的柔性碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]柔性超级电容器是一种基于柔性基材的新型超级电容器，可作为折叠手机、可折叠显示器、可植入设备等柔性电子产品的储能设备。近年来，碳基材料因其低毒性、高导电性、优异的电化学循环寿命等特点，已成为高性能柔性超级电容器的理想电极材料之一，开发一款低成本、高性能柔性碳基材料已成为柔性超级电容器走向商业推广的关键步骤。
[0003]自支撑柔性电极材料相比于传统粉末电极，其本身既可作为活性物质又可以作为集流器，在制备过程中无需使用额外的集流器和添加粘结剂，很好的解决了高负载量易脱落的问题，同时具备超高的比容量和优异的电子传递能力，被广泛应用于柔性超级电容器的研发。例如，石墨烯碳纳米纤维电极、多孔碳纳米纤维电极、柔性微孔碳布电极、多级多孔碳纳米纤维膜电极、共掺杂碳纳米纤维膜电极、氮硫共掺杂活性炭纤维电极等通过原位沉积、活化、后处理等多步工艺制备后可应用于柔性超级电容器的研制。
[0004]然而，石墨烯、碳纳米纤维这类碳材料由于制备工艺复杂、成本高昂、难以工业化生产。因此，十分期待以成本低廉的柔性碳材料作为原材料，通过简单的工艺实现活化、元素掺杂等目的，制备得可用于高性能柔性超级电容器的柔性碳电极材料。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供一种具有自支撑的柔性碳材料及其制备方法和应用，本专利技术在经预处理后，通过一步高温工艺便能同时完成元素掺杂和活化两个步骤，制备的柔性碳材料具有优异的电化学性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种具有自支撑的柔性碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)以碳毡分别作为工作电极和对电极，于电解液中通电2～10min后，清洗干燥，得到电化学剥离的碳毡；
[0009](2)将含氮导电聚合物单体和碱液的混合液作为电解液，以步骤(1)处理的碳毡作为工作电极构建三电极体系进行电化学处理，清洗干燥，得到负载含氮导电聚合物的碳毡；
[0010](3)于保护气体氛围中，800～900℃热处理步骤(2)所得碳毡1～2h，冷却至室温后洗涤烘干即可。
[0011]进一步地，碳毡的含碳量大于99％。
[0012]进一步地，步骤(1)中所述电解液为硫酸盐电解液。
[0013]进一步地，硫酸盐电解液的浓度为0.5～1mol/L。
[0014]进一步地，硫酸盐为硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵。
[0015]进一步地，步骤(1)中施加的正电压为10V，施加时间为4～5min。
[0016]进一步地，步骤(2)中三电极体系中使用Ag/AgCl作为参比电极，石墨为对电极。
[0017]进一步地，含氮导电聚合物包括但不限于聚苯胺、聚萘二胺或聚吡咯。
[0018]进一步地，步骤(2)电解液中，形成含氮导电聚合物的单体的终浓度为0.2～0.5mol/L；碱液的终浓度为3～5mol/L。
[0019]进一步地，碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
[0020]进一步地，步骤(2)的处理条件为：扫描速度20mV/s，扫描窗口从0至0.9～1.1V，扫描圈数为13～18圈。
[0021]进一步地，步骤(3)中所述热处理的升温速率为3～5℃/min。
[0022]进一步地，烘干温度为80～100℃，干燥时间为12～24h。
[0023]上述制备方法制备得到的具有自支撑的柔性碳材料。
[0024]上述柔性碳材料在制备电极材料中的应用。
[0025]本专利技术的有益效果为：
[0026]1、本专利技术通过预先将商用碳毡在硫酸盐溶液中进行电化学剥离，通过阴离子的插入和电化学反应生成的气体扩大了碳毡的碳层间距；同时，在碳毡表面引入了含氧官能团，增强了反应动力学，提高了亲水性，从而有利于表面原位生长聚合物。
[0027]2、商用碳毡在苯胺等单体与碱的混合溶液中进行电化学循环伏安处理，将聚苯胺、聚萘二胺、聚吡咯等含氮导电聚合物原位电聚合在碳毡表面，同时溶液中的碱会吸附在碳毡纤维上，高温热处理过程中碱将刻蚀碳纤维，从而产生大量微孔和介孔。
[0028]3、聚苯胺等含氮导电聚合物在高温热处理过程中碳化，在碳毡纤维表面形成一层氮元素掺杂的微石墨化碳层，从而提高导电性。因此，只需一步高温处理工艺便能实现活化和元素掺杂两个目的，专利技术制备的柔性碳材料具有优异的电化学性能。
[0029]4、以商用碳毡作为原材料，相比于石墨烯、碳纳米管等材料的制备，成本低，有利于产业化推广。
具体实施方式
[0030]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。
[0031]实施例1
[0032]一种具有自支撑的柔性碳材料，其制备方法如下：
[0033](1)室温下，将2片1cm
×
4cm商用碳毡分别作为工作电极和对电极，在100mL的0.5M硫酸钠电解液中施加一个10V的正电压5分钟，之后取出商用碳毡用去离子水清洗，在80℃烘箱中干燥8h，得到电化学剥离碳毡；
[0034](2)接下来，在室温下，将0.2M苯胺单体与3M氢氧化钾碱溶液混合均匀并取100mL作为电解液，将1片1cm
×
4cm电化学剥离碳毡作为工作电极，Ag/AgCl电极和石墨电极分别作为参比电极和对电极，在三电极系统下进行电化学循环伏安处理：扫描速度为20mV s
‑1，扫描窗口从0至1V(相对于Ag/AgCl电极)，扫描圈数为15圈，之后取出材料，用去离子水和乙醇交替洗涤3次，在80℃烘箱中干燥12h，得到碳毡支载的聚苯胺材料；
[0035](3)然后将碳毡支载的聚苯胺材料，在氮气氛围保护下，升温至800℃热处理1h，之后冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，在80℃真空烘箱中烘干，即得成品自支撑的柔性碳材料.
[0036]上述柔性碳材料应用性能测试
[0037]此次测试其在超级电容器中的应用，进行电化学性质测试前，自支撑的柔性碳材料材料需要在1M KOH水溶液中真空脱气0.5小时。将自支撑的柔性碳材料作为工作电极，铂电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极。通过三电极系统，在室温条件下、1M KOH电解液中，利用电化学工作站(CHI 760E，上海辰华仪器有限公司)对制备电极进行恒流充放电测试(充放电电压范围
‑
1～0V)。
[0038]根据公式C＝I
×△
t/(S
×△
V)，基于充放电曲线可计算出制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有自支撑的柔性碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以碳毡分别作为工作电极和对电极，于电解液中通电2～10min后，清洗干燥，得到电化学剥离的碳毡；(2)将含氮导电聚合物单体和碱液的混合液作为电解液，以步骤(1)处理的碳毡作为工作电极构建三电极体系进行电化学处理，清洗干燥，得到负载含氮导电聚合物的碳毡；(3)于保护气体氛围中，800～900℃热处理步骤(2)所得碳毡1～2h，冷却至室温后洗涤烘干即可。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳毡的含碳量大于99％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解液为硫酸盐电解液。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述电解液中，含氮导电聚合物单体的终...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶颖杰，陈浩，庞亚俊，王帆，吴赛，沈哲红，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：