一种生物质-石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种生物质

【技术实现步骤摘要】
一种生物质
‑
石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于石墨烯新材料
，具体涉及一种生物质
‑
石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨烯具有优异的力学、电学、热学等理化性质与超高的比表面积，应用前景广阔。采用湿法组装方法将各向异性氧化石墨烯液晶相分散液转变为具有微观有序结构的石墨烯基宏观组装材料，无疑是实现石墨烯优异理化性质向功能组装材料优越性能转变的有效路径。然而，石墨烯片层间较强的范德华相互作用使组装材料层间距较小，电化学活性离子和反应性分子难以通过，极大程度上抑制了石墨烯层间传质通道的有效利用以及石墨烯表面丰富活性位点的充分暴露。因此，构筑出具有层间纳米尺度传质通道的石墨烯组装材料，对于电化学储能方面活性物质吸脱附，以及电催化过程中反应性分子在石墨烯层间的传质反应均具有重要意义。
[0003]为此，已出现多种调控石墨烯组装材料层间结构的方法，其中最为典型的方法莫过于通过无机纳米颗粒于石墨烯层间支撑来构筑微观传质通道。
[0004]CN102347143A公开一种石墨烯复合多孔对电极、制备方法及其应用。所述复合多孔对电极为涂覆在导电性衬底上的石墨烯和无机纳米微粒组成的混合物；无机纳米微粒调控石墨烯的显微结构，生成显微结构均匀的对电极；其中所述的无机纳米微粒为氧化钛、氧化锡、二氧化硅中的一种或两种的混合物；导电衬底为金属片、玻璃或塑料衬底上的铟掺杂氧化锡、氟掺杂氧化锡。
[0005]CN106587026A公开一种强化传质型多级孔道贯通的三维氮掺杂石墨烯的制备方法。碳源和氮源选用聚（2,5
‑
苯并咪唑）（ABPBI），该类芳香性的刚性的聚苯并咪唑分子可以规则地排列在模板剂纳米碳酸钙表面，经过在惰性气体保护下热解，在热解过程中碳酸钙热解产生的二氧化碳会在模板剂之间形成小的通孔，去除纳米模板剂后，形成三维氮掺杂石墨烯的孔道之间有小孔贯通，得到多级孔道贯通的三维氮掺杂石墨烯材料；ABPBI是可溶性的，其分子中富含氮元素的咪唑环和端氨，且其苯并咪唑环是刚性的芳香性环，在热解时易形成 氮掺杂石墨烯结构；ABPBI溶液与不同粒径纳米碳酸钙模板剂，按照不同质量比混合、氩气保护下高温炉内热解2~3 h，用稀盐酸去除模板剂即可得到的多级孔道贯通的三维氮掺杂石墨烯，其多级孔道结构有利于电极的强化传质。
[0006]由上述内容可知，现有技术中常用无机纳米颗粒支撑或模板刻蚀等方法构筑石墨烯材料的微观传质通道，然而无机纳米颗粒分散于氧化石墨烯水溶液中时通常极易团聚，进而破坏石墨烯组装材料的微观有序结构，劣化其理化性质与应用性能。此外，石墨烯组装材料中仅有纳米颗粒支撑的局部区域层间距有所增大，其它区域的石墨烯片层依然堆叠严重，导致活性物质在石墨烯层间无法形成传质通路。
[0007]因此，亟需开发一种能够均匀填充于石墨烯组装材料层间，且能够提供丰富层间传质通道，同时不会劣化功能组装材料本身导电性、比表面积等理化性质的石墨烯复合材
料的制备方法，以提升石墨烯基电极在电化学储能与电催化反应方面的实际应用性能。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种生物质
‑
石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用。由本专利技术提供的制备方法制备得到的生物质
‑
石墨烯复合电极具有较好的导电性、较大的比表面积，且层间结构可控、活性位点丰富，可广泛用于电催化电极材料、超级电容器、电池材料等领域。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种生物质
‑
石墨烯复合电极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：（1）将生物质溶液和液晶相氧化石墨烯分散液混合，得到混合液；（2）将步骤（1）得到混合液进行组装处理，得到生物质
‑
氧化石墨烯复合组装材料；（3）将步骤（2）得到的生物质
‑
氧化石墨烯复合组装材料进行化学还原、碳化处理后，得到所述生物质
‑
石墨烯复合电极材料。
[0010]本专利技术中，通过对生物质
‑
石墨烯复合电极材料制备方法的设计，进一步通过共溶、组装处理、干燥、化学还原、碳化处理等步骤制备得到的生物质
‑
石墨烯复合电极具有导电性好、比表面积大、层间结构可控、活性位点丰富的特点。
[0011]其中，共溶过程中水溶性生物质分子均匀分布于氧化石墨烯片层表面；组装过程中在外部应力的作用下各向异性液晶相氧化石墨烯分散液趋于取向排列，经干燥后获得片层间均匀填充生物质分子，同时具有微观有序结构的生物质
‑
氧化石墨烯复合组装材料；在化学还原处理过程中，氧化石墨烯表面含氧官能团部分脱除，生物质
‑
氧化石墨烯复合组装材料结构趋于稳定；最后经碳化处理时，石墨烯层间生物质分子碳化，形成均匀的纳米级孔道结构，同时经碳化处理的生物质材料具有优异的导电性，于石墨烯层间形成导电网络，使生物质
‑
石墨烯复合材料的导电性大幅提升。
[0012]本专利技术中，以生物质溶液与液晶相氧化石墨烯分散液为原料制备得到的生物质
‑
石墨烯复合电极材料具有导电性好、比表面积大、层间结构可控、活性位点丰富的特点，其中生物质作用主要体现在三个方面：第一，生物质分子具有丰富的含氧基团，能够实现活性离子的储运，同时能够作为催化活性位点，从而提升生物质
‑
石墨烯复合电极材料的活性位点密度；第二，生物质分子碳化分解过程及碳化后形成的纳米颗粒增大石墨烯片层间距，产生大量微孔及介孔结构，便于反应性分子与活性离子的迁移，调控了生物质
‑
石墨烯复合电极材料的层间结构，提升了生物质
‑
石墨烯复合电极材料的能量存储、电催化反应效率和比表面积；第三，碳化后的生物质纳米颗粒在石墨烯层间形成导电通路，提升了生物质
‑
石墨烯复合电极材料的导电性。
[0013]以下作为本专利技术的优选技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的目的和有益效果。
[0014]作为本专利技术的优选技术方案，所述生物质溶液的浓度为5~30 g/L，例如可以是5 g/L、7 g/L、10 g/L、12 g/L、15 g/L、18 g/L、20 g/L、23 g/L、25 g/L、27 g/L或30 g/L等。
[0015]本专利技术中，通过控制生物质溶液的浓度在特定的范围内，制备得到的生物质
‑
石墨烯复合电极材料既具有较好的导电性、较多的活性位点和明显的层间结构，又具有较好的
力学性能。若生物质溶液的浓度过小，则制备得到的生物质
‑
石墨烯复合电极材料难以有效形成层间微孔与介孔结构，且活性位点较少；若生物质溶液的浓度过大，则导致生物质
‑
石墨烯复合电极材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质
‑
石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：（1）将生物质溶液和液晶相氧化石墨烯分散液混合，得到混合液；（2）将步骤（1）得到混合液进行组装处理，得到生物质
‑
氧化石墨烯复合组装材料；（3）将步骤（2）得到的生物质
‑
氧化石墨烯复合组装材料进行化学还原、碳化处理后，得到所述生物质
‑
石墨烯复合电极材料；所述生物质溶液中生物质选自羧甲基纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、羧甲基淀粉、盐酸多巴胺或甲壳素中的任意一种或至少两种的组合；所述组装处理的方法为湿法涂覆或湿法纺丝自融合。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质溶液的浓度为5~30 g/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液晶相氧化石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：李畅，宋洋，李彪，胡超权，
申请(专利权)人：中科南京绿色制造产业创新研究院，
类型：发明
国别省市：