本發明專利技術公開了一種以廢棄聚苯乙烯為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料的方法及其超級電容儲能應用：將廢棄聚苯乙烯用濃硫酸磺化，將其與有含氮官能團的化合物反應，再與石墨烯混合均勻，干燥后在惰性氣氛下600-1000度進行高溫碳化和活化。用該方法制備的氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料為電極組裝的超級電容器，具有高比能量、高比功率、高倍率性能和長循環使用壽命。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無機非金屬材料
，特別是涉及一種高比能長效超級電容器用多孔碳/石墨稀復合材料及其制備方法。
技術介紹
聚苯乙烯是一種有著廣泛應用的熱塑性塑料，常被用作包裝材料、房屋保溫材料，或用于生產水杯、一次性餐盒等器具。但是應該看到，聚苯乙烯在自然界中很難被自然降解，隨意丟棄的聚苯乙烯垃圾會對環境會造成嚴重的污染，尤其是在海洋中漂浮的聚苯乙烯泡沫不僅危害到海洋生物的生存，而且會將有毒成分引入到食物鏈中去，從而影響到人類的健康。因此，對廢棄聚苯乙烯進行有效回收和利用具有重要的意義。有研究利用聚苯乙稀制備活性炭吸附材料的報道(Fu e I ProcessingTechnology，2009，90:381-387 ;Carbon，2006,44:2404-2412)，用來除去空氣中或水中的有害物質。Li等(Electrochimica Acta，2012，59:424-428)研究利用聚苯乙稀基活性炭做超級電容器的儲能電極，但其比容量僅為182F/g，能量密度也僅為2.3?5.1Wh/kg，大大限制了其在儲能領域的應用。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的不足，本專利技術以聚苯乙烯為碳源，制備出一種新型氮摻雜多孔碳/石墨烯復合材料，并用做超級電容器電極。所組裝的超級電容器具有高比電容、高倍率和高循環性能，同時比能量大大提高。本專利技術所采用的技術方案是:采用的石墨稀是氧化石墨稀、還原石墨稀中的一種或兩種；石墨烯的含量為O?15%，含氮官能團化合物的添加量為O?50%;將將廢棄聚苯乙烯泡沫用濃硫酸磺化，將其與有含氮官能團的化合物反應，再與一定量石墨烯混合均勻，干燥后進行高溫碳化和活化得到一定石墨烯含量的多孔炭/石墨稀復合材料。【附圖說明】圖1為實施例1產物的掃描電鏡圖。圖2為實施例2產物的掃描電鏡圖。圖3為實施例3產物的掃描電鏡圖。圖4為實施例4產物的掃描電鏡圖。圖5為材料在電流密度為2A/g時的充放電曲線。圖6為材料比電容與電流密度之間的關系曲線。圖7為超級電容器的比功率與比能量之間的關系曲線。【具體實施方式】實施例1:聚苯乙烯基活性炭的制備將廢棄聚苯乙烯泡沫洗凈，用濃硫酸磺化后，在氮氣氛下600度碳化2小時。再以3/I的堿碳比與KOH混合，在氮氣氛下700度活化2小時。經洗滌并干燥后得到產物，如圖1所示。實施例2:多孔炭/石墨烯復合材料的制備稱取I克磺化聚苯乙烯，加入4毫升濃氨水和100毫升水，攪拌I小時。加入I%氧化石墨稀，繼續攪拌I小時。干燥后在氮氣氛下600度碳化2小時，再以3/1的堿碳比與KOH混合，在氮氣氛下700度活化2小時。經洗滌、干燥后得到產物，如圖2所示。實施例3:多孔炭/石墨烯復合材料的制備稱取I克磺化聚苯乙烯，加入5%乙二胺和100毫升水，攪拌I小時。加入I %氧化石墨稀，繼續攪拌I小時。干燥后在氮氣氛下600度碳化2小時，再以3/1的堿碳比與KOH混合，在氮氣氛下700度活化2小時。經洗滌、干燥后得到產物，如圖3所示。實施例4:多孔炭/石墨烯復合材料的制備稱取I克磺化聚苯乙烯，加入7.5%三聚氰胺和100毫升水，攪拌I小時。加入I %氧化石墨烯，繼續攪拌I小時。干燥后在氮氣氛下600度碳化2小時，并與KOH以3/1的堿碳比混合，在氮氣氛下700度活化2小時。經洗滌、干燥后得到產物，如圖4所示。實施例5:材料的電化學性能測試以所制備碳材料為電極，泡沫鎳為集流體組裝兩電極超級電容器，在室溫下測試材料的電化學性質，其中電解液為6摩爾/升氫氧化鉀水溶液，采用上海CHI660E電化學工作站對超級電容器進行充放電測試，電壓范圍為0-1.0V。結果如下:(I)由圖5可見，用本技術方案制備的電極材料所組裝的超級電容器呈現典型的等腰三角形充放電曲線，沒有明顯的壓降說明內阻很小。由圖6可見，以氮摻雜活性炭/石墨烯復合電極的比電容與聚苯乙烯基活性炭相比均有很大的提高，其中實施例4產物比電容在電流密度為0.05A/g時高達329.4F/g，在20A/g時仍保持210.8F/g，同時呈現出良好的倍率性能，顯著優于文獻所報道的聚苯乙稀基活性炭電極材料(Electrochimica Acta,2012,59:424-428)ο(2)由圖7可見，用本技術方案制備的電極材料所組裝的超級電容器具有高能量密度和高功率密度，其中以實施例1和實施例4產物所組裝的超級電容器在0.05A/g時的能量密度分別高達11.lWh/kg和11.4Wh/kg，遠高于文獻報道數值(Electrochimica Acta,2012,59:424-428)ο【主權項】1.一種以廢棄聚苯乙稀為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨稀復合材料的方法，其具體步驟為:將聚苯乙烯用濃硫酸磺化，再與有含氮官能團的化合物進行反應，再與石墨烯混合均勻，干燥后在惰性氣氛下600-1000度進行高溫碳化和活化，經水洗干燥后得到氮摻雜多孔碳/石墨烯復合材料。2.根據權利要求1所述的一種以廢棄聚苯乙烯為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料的制備方法，其特征在于所述石墨烯為氧化石墨烯和還原石墨烯中一種或兩種。3.根據權利要求1?2所述的一種以廢棄聚苯乙烯為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料的制備方法，其特征在于前驅體中石墨烯的含量為O?15%。4.根據權利要求1所述一種的一種以廢棄聚苯乙烯為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料的制備方法，其特征在于所用含氮化合物前驅體的添加量為O?50%。5.—種多孔炭/石墨稀復合材料，所述復合材料通過權利I?4中任一項所述的方法制備。6.權利要求5所述的氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料可用作超級電容器電極材料。7.權利要求5所述的氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料可用作鋰離子電池負極材料。【專利摘要】本專利技術公開了一種以廢棄聚苯乙烯為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料的方法及其超級電容儲能應用：將廢棄聚苯乙烯用濃硫酸磺化，將其與有含氮官能團的化合物反應，再與石墨烯混合均勻，干燥后在惰性氣氛下600-1000度進行高溫碳化和活化。用該方法制備的氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料為電極組裝的超級電容器，具有高比能量、高比功率、高倍率性能和長循環使用壽命。【IPC分類】H01G11/32, H01G11/24【公開號】CN105551819【申請號】CN201510939053【專利技術人】解勤興, 陳國航, 鮑榮榮, 解超, 張宇峰 【申請人】天津工業大學【公開日】2016年5月4日【申請日】2015年12月16日本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種以廢棄聚苯乙烯為原料制備氮摻雜多孔炭/石墨烯復合材料的方法，其具體步驟為：將聚苯乙烯用濃硫酸磺化，再與有含氮官能團的化合物進行反應，再與石墨烯混合均勻，干燥后在惰性氣氛下600?1000度進行高溫碳化和活化，經水洗干燥后得到氮摻雜多孔碳/石墨烯復合材料。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：解勤興，陳國航，鮑榮榮，解超，張宇峰，
申請(專利權)人：天津工業大學，
類型：發明
國別省市：天津;12
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