【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超级电容器电极材料，更具体的说是涉及一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、能源是人类社会发展必不可少的物质，在国民经济中占据非常重要的地位。然而，随着煤、石油、天然气等化石能源的日益枯竭以及生态环境不断恶化，使得开发高效、绿色环保、可再生的电化学存储器件变得迫在眉睫。电化学储能器件(如超级电容器、锂离子电池等)被认为是一种高效的储能系统，其中超级电容器被认为是一种新型的绿色储能装置。近年来，超级电容因其具有高功率密度、快速充放电以及长循环寿命日益得到人们的青睐。然而，其低能量密度限制了它们在汽车和消费电子等许多领域的应用。因而，研究人员开发了多种电极材料，如，碳材料、过度金属化合物以及导电聚合物来改善其性能。然而，这些电极材料通常为粉末形式，需要加入粘合剂和导电添加剂形成浆料然后涂覆在泡沫镍上形成电极。这不仅增加了额外的重量，而且电极结构极易破裂。此外，粘结剂的加入还会堵塞活性材料孔道，进而限制电子和离子的传导。
2、相比之下，木材作为自然界最丰富的可再生资源，具有持续、可再生、可生物降解等特点，近年来被广泛应用于家具、桥梁、建筑物、海水淡化、油水分离、造纸以及储能等领域。在储能应用领域其最大的优势就在于其具有低弯曲度的垂直通道以及分级多孔结构，经碳化后可直接作为独立的自支撑电极使用，而不需要导电剂和粘结剂。此外，木材的分级多孔结构可用于输送水、离子和养分，对齐排列的垂直通道有利于缩短传输路径，经碳化后更便于电子和离子进行传输，正是由于这些特性为木材在储能领域的应用
3、石墨烯作为超级电容器电极材料一般具有高比表面积、优异的电导率、快速充放电速度、长寿命和稳定性以及轻质薄型设计等优点，使其逐渐成为一种非常有前途的碳材料，能够推动超级电容器技术的发展。但其易于堆叠和团聚严重阻碍了离子的运输和电解质渗入，并且与传统的超级电容器相比，石墨烯电容器的能量密度相对较低，循环寿命有限，随着充放电次数的增加其电容性能会逐渐衰减。
4、因此，如何解决石墨烯材料易于堆叠和团聚的问题，并利用石墨烯的优点解决碳化木材作为导电碳骨架的缺陷是本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料及其制备方法和应用。具体为利用硫酸分散氧化石墨烯，并对碳化木材孔道进行调控的方法及应用。该方法通过预氧化、高温碳化、冷冻干燥、真空浸渍、水热还原等工艺在碳化木材孔道内构建了还原氧化石墨烯三维网络结构，该结构对碳化木材的孔道进行有效调控的同时也提升了其比表面积，有利于离子和电子的渗透传输，从而提高了碳化木材的电化学性能，并解决了填充到碳化木材孔道中的石墨烯易于堆叠和团聚严重的问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
4、1)制备碳化木材；
5、2)将氧化石墨烯粉末加入去离子水中，超声搅拌均匀后得到氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加硫酸溶液，继续搅拌得到氧化石墨烯前驱体溶液；
6、3)将碳化木材切割成碳化木片后，置于氧化石墨烯前驱体溶液中进行多次真空抽滤，最后用去离子水冲洗表面后放入冰箱冷冻；
7、4)将步骤3)得到的冷冻后的样品放入真空干燥机进行冷干，得到碳化木材/氧化石墨烯导电复合材料；
8、5)将步骤4)得到的碳化木材/氧化石墨烯导电复合材料放入高压反应釜中进行水热还原反应，反应结束待其冷却后进行冷冻干燥得到最终的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料。
9、优选的，步骤1)中将木材切割成块放于酒精和去离子水的混合溶液中进行超声清洗，冷冻干燥后进行预氧化、高温碳化从而得到碳化木材。
10、优选的，所述木材为大白杨，预氧化为在空气氛围下以5℃/min的速度升温至200-300℃，保温1-6h；碳化在氮气氛围下以5℃/min升温至600-1000℃，保温1-6h。
11、优选的，步骤2)中所述氧化石墨烯溶液浓度为2～8mg·ml-1，所述硫酸溶液的浓度为0.1m-0.3m，所述氧化石墨烯溶液与硫酸溶液体积比为1：2。
12、优选的，步骤3)中真空抽滤的时间为每次10～30min，且每次在常压下维持10～30min；重复3～5次后将其在真空状态下浸泡12～24h，浸泡结束后对其进行冲洗，放于-15～25℃的冰箱中冷冻8～16h；将碳化木材用2000目砂纸对其进行打磨，然后切割成1×1.2×0.08cm3的碳化木片。
13、优选的，步骤4)所述冷干具体参数为：真空度为10～30pa，冷凝温度<-50℃，时间为24h。
14、优选的，步骤5)所述水热还原反应具体参数为：温度为120～180℃，水热时间为4～24h。更优选地，水热反应温度为180℃，水热时间为12h。
15、上述优选的方案达到的有益效果是:首次利用硫酸作为分散剂或者插层剂对氧化石墨烯进行分散，抑制其团聚与堆叠，使其具有更大的比表面积以及更多的活性位点，使得分散后的氧化石墨烯可以与碳化木材更好的进行复合，从而可以很好的在碳化木材的孔道内构建三维导电网络，实现了对碳化木材孔道的有效利用，进而很大程度的提高了碳化木材的电化学性能。
16、另一方面，本专利技术还提供了一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料在超级电容器电极材料中的应用。
17、上述优选的方案达到的技术效果是:将上述方法制备出来的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料应用于超级电容器的电极，可显著提高电容器的电容性能。
18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
19、(1)本专利技术充分利用了木材经碳化后可以保持原有的碳骨架的特点。以木材为碳源前驱体，硫酸为分散剂，氧化石墨烯为填充物，利用真空浸渍技术将硫酸分散的氧化石墨烯填充到碳化木材的孔道中，然后进行冷冻干燥、水热还原等工艺制备出了具有更大比表面积和更佳导电性能的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料，并展现出了优异的超级电容器性能。
20、(2)本专利技术所提供的方法具有工艺简单、成本低，绿色无污染等特性，且该方法最大的优势是解决了氧化石墨烯在碳化木材孔道内易于堆叠和团聚的问题，使得最后所得到的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料显示出了更优越的电化学性能。
21、(3)本专利技术制备的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料作为自支撑超级电容器的电极材料，具有较高的比容量和优异的倍率特性。
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1.一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中将木材切割成一定规格的木块放于酒精和去离子水的混合溶液中进行超声清洗，而后经过冷冻干燥、预氧化以及高温碳化后得到碳化木材。
3.根据权利要求2所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述木材为大白杨，预氧化为在空气氛围下以5℃/min的速度升温至200-300℃，保温1-6h；碳化在氮气氛围下以5℃/min升温至600-1000℃，保温1-6h。
4.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述氧化石墨烯溶液浓度为2～8mg·mL-1，所述硫酸溶液的浓度为0.1M-0.3M，所述氧化石墨烯溶液与硫酸溶液体积比为1：2。
5.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中真空抽滤的时间为每次10～30min，且每次在常压下维持
6.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)所述冷干具体参数为：真空度为10～30Pa，冷凝温度<-50℃，时间为12～48h。
7.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5)所述水热还原反应具体参数为：温度为120～180℃，水热时间为4～24h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料。
9.根据权利要求8所述的碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料在超级电容器电极材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中将木材切割成一定规格的木块放于酒精和去离子水的混合溶液中进行超声清洗，而后经过冷冻干燥、预氧化以及高温碳化后得到碳化木材。
3.根据权利要求2所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述木材为大白杨，预氧化为在空气氛围下以5℃/min的速度升温至200-300℃，保温1-6h；碳化在氮气氛围下以5℃/min升温至600-1000℃，保温1-6h。
4.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述氧化石墨烯溶液浓度为2～8mg·ml-1，所述硫酸溶液的浓度为0.1m-0.3m，所述氧化石墨烯溶液与硫酸溶液体积比为1：2。
5.根据权利要求1所述的一种碳化木材/还原氧化石墨烯导电复合材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：周晓明，樊璐文，盛利志，杨洁，孙静茹，谭正霖，
申请(专利权)人：北华大学，
类型：发明
国别省市：
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