一種氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料及其製備方法與流程
2023-12-06 07:32:41 2
本發明涉及電極材料
技術領域：
，特別涉及一種氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料及其製備方法。
背景技術：
：2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。在2015年末硼烯發現之前，石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。石墨烯是目前自然界最薄、強度最高的材料，最有潛力的應用是成為矽的替代品，製造超微型電晶體，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代矽，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常緻密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。這些特徵使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為「黑金」，是「新材料之王」，科學家甚至預言石墨烯將「徹底改變21世紀」。極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。所以本項目旨在研製出一款氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料，通過對電極材料的性能改良，達到提到電極電化性能的目的。所以目前研製出一款氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料對行業內某些特殊需求顯得尤為重要。技術實現要素：為解決上述技術問題，本發明提供一種氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料及其製備方法，通過採用特定原料進行組合，配合相應的生產工藝，得到的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料，其導電性能優良、導熱性能良好、電化性能佳，能夠提高電極的循環性能，能夠滿足行業的要求，具有較好的應用前景。本發明的目的可以通過以下技術方案實現：氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料，由下列重量份的原料製成：石墨烯30-45份、氮化碳5-10份、聚己內酯8-15份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽5-8份、三甘醇5-10份、硬脂酸甘油單酯4-9份、碳酸二甲酯4-9份、異丙醇鋁3-6份、硼化鈦1-3份、對甲苯磺酸4-7份、氫氧化鎂2-5份、四氯化矽4-9份、三乙胺1-4份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁3-6份、稀土1-4份、分散劑4-7份、矽烷偶聯劑3-6份、膠黏劑3-8份。優選地，所述分散劑選自N-甲基-2-吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基苯磺酸鈉、木質素磺酸鈉中的一種或幾種。優選地，所述矽烷偶聯劑選自乙烯基三乙氧基矽烷、3-氨丙基三甲氧基矽烷、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷中的一種或幾種。優選的，所述膠黏劑選自二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯、羧甲基纖維素鈉、丁腈-酚醛樹脂、聚氨酯膠中的一種或幾種。所述的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料的製備方法，包括以下步驟：（1）按照重量份稱取各原料；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於分散劑中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為300-500W，超聲時間為3-6小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1000-1500轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至3-5之間，攪拌時間為45-60分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、矽烷偶聯劑、膠黏劑，在還原性氣體氛圍中混煉1-3小時，轉速1000-1500轉/分鐘，反應溫度為720-850℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至1-2Mpa,同時緩慢充入還原性氣體保護，塗覆以後的成品在還原性氣體中保溫3-5小時，降至室溫即得成品。優選地，所述步驟（4）和步驟（6）中，還原性氣體氛圍為氬氣氣體氛圍。本發明與現有技術相比，其有益效果為：（1）本發明的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料以石墨烯、氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土為主要成分，通過加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯、三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、分散劑、矽烷偶聯劑、膠黏劑，輔以超聲分散、攪拌密煉、惰性氣體環境混煉、噴霧乾燥、物料塗覆電極等工藝，使得製備而成的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料，其導電性能優良、導熱性能良好、電化性能佳，能夠提高電極的循環性能，能夠滿足行業的要求，具有較好的應用前景。（2）本發明的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料原料易得、工藝簡單，適於大規模工業化運用，實用性強。具體實施方式下面結合具體實施例對發明的技術方案進行詳細說明。實施例1（1）按照重量份稱取石墨烯30份、氮化碳5份、聚己內酯8份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽5份、三甘醇5份、硬脂酸甘油單酯4份、碳酸二甲酯4份、異丙醇鋁3份、硼化鈦1份、對甲苯磺酸4份、氫氧化鎂2份、四氯化矽4份、三乙胺1份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁3份、稀土1份、N-甲基-2-吡咯烷酮4份、乙烯基三乙氧基矽烷3份、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯3份；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於N-甲基-2-吡咯烷酮中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為300W，超聲時間為3小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1000轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至3之間，攪拌時間為45分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、乙烯基三乙氧基矽烷、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯，在氬氣氛圍中混煉1小時，轉速1000轉/分鐘，反應溫度為720℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至1Mpa,同時緩慢充入氬氣保護，塗覆以後的成品在氬氣氛圍中保溫3小時，降至室溫即得成品。製得的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料測試結果如表1所示。實施例2（1）按照重量份稱取石墨烯35份、氮化碳7份、聚己內酯11份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽6份、三甘醇7份、硬脂酸甘油單酯5份、碳酸二甲酯5份、異丙醇鋁4份、硼化鈦2份、對甲苯磺酸5份、氫氧化鎂3份、四氯化矽5份、三乙胺2份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁4份、稀土2份、十六烷基三甲基溴化銨5份、3-氨丙基三甲氧基矽烷4份、羧甲基纖維素鈉5份；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於十六烷基三甲基溴化銨中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為350W，超聲時間為4小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1200轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至4之間，攪拌時間為50分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、3-氨丙基三甲氧基矽烷、羧甲基纖維素鈉，在氬氣氛圍中混煉2小時，轉速1200轉/分鐘，反應溫度為750℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至1.3Mpa,同時緩慢充入氬氣保護，塗覆以後的成品在氬氣氛圍中保溫4小時，降至室溫即得成品。製得的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料測試結果如表1所示。實施例3（1）按照重量份稱取石墨烯40份、氮化碳9份、聚己內酯13份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽7份、三甘醇9份、硬脂酸甘油單酯8份、碳酸二甲酯7份、異丙醇鋁5份、硼化鈦2份、對甲苯磺酸6份、氫氧化鎂4份、四氯化矽8份、三乙胺3份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁5份、稀土3份、十二烷基苯磺酸鈉6份、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷5份、丁腈-酚醛樹脂7份；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於十二烷基苯磺酸鈉中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為450W，超聲時間為5小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1400轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至4.5之間，攪拌時間為55分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷、丁腈-酚醛樹脂，在氬氣氛圍中混煉2.5小時，轉速1400轉/分鐘，反應溫度為800℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至1.8Mpa,同時緩慢充入氬氣保護，塗覆以後的成品在氬氣氛圍中保溫4.5小時，降至室溫即得成品。製得的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料測試結果如表1所示。實施例4（1）按照重量份稱取石墨烯45份、氮化碳10份、聚己內酯15份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽8份、三甘醇10份、硬脂酸甘油單酯9份、碳酸二甲酯9份、異丙醇鋁6份、硼化鈦3份、對甲苯磺酸7份、氫氧化鎂5份、四氯化矽9份、三乙胺4份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁6份、稀土4份、木質素磺酸鈉7份、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷6份、聚氨酯膠8份；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於木質素磺酸鈉中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為500W，超聲時間為6小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1500轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至5之間，攪拌時間為60分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷、聚氨酯膠，在氬氣氛圍中混煉3小時，轉速1500轉/分鐘，反應溫度為850℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至2Mpa,同時緩慢充入氬氣保護，塗覆以後的成品在氬氣氛圍中保溫5小時，降至室溫即得成品。製得的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料測試結果如表1所示。對比例1（1）按照重量份稱取石墨烯30份、氮化碳5份、聚己內酯8份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽5份、三甘醇5份、碳酸二甲酯4份、異丙醇鋁3份、硼化鈦1份、對甲苯磺酸4份、氫氧化鎂2份、三乙胺1份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁3份、稀土1份、N-甲基-2-吡咯烷酮4份、乙烯基三乙氧基矽烷3份、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯3份；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於N-甲基-2-吡咯烷酮中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、碳酸二甲酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為300W，超聲時間為3小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1000轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至3之間，攪拌時間為45分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、乙烯基三乙氧基矽烷、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯，在氬氣氛圍中混煉1小時，轉速1000轉/分鐘，反應溫度為720℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至1Mpa,同時緩慢充入氬氣保護，塗覆以後的成品在氬氣氛圍中保溫3小時，降至室溫即得成品。製得的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料測試結果如表1所示。對比例2（1）按照重量份稱取石墨烯45份、氮化碳10份、聚己內酯15份、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽8份、三甘醇10份、硬脂酸甘油單酯9份、硼化鈦3份、對甲苯磺酸7份、氫氧化鎂5份、四氯化矽9份、三乙胺4份、澱粉辛烯基琥珀酸鋁6份、稀土4份、木質素磺酸鈉7份、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷6份、聚氨酯膠8份；（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於木質素磺酸鈉中，同時加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為500W，超聲時間為6小時；（3）將氮化碳、聚己內酯、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速1500轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至5之間，攪拌時間為60分鐘；（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷、聚氨酯膠，在氬氣氛圍中混煉3小時，轉速1500轉/分鐘，反應溫度為850℃，然後冷卻至220℃，得到密煉混合物；（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為250℃，出風溫度180℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度620℃，加入物料後降溫至280℃，加壓至2Mpa,同時緩慢充入氬氣保護，塗覆以後的成品在氬氣氛圍中保溫5小時，降至室溫即得成品。製得的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料測試結果如表1所示。將實施例1-4和對比例1-2的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料分別進行內阻、比電容、循環容量保持率、導熱係數這幾項性能測試。表1內阻（Ω.m）比電容（F/g)循環容量保持率%導熱係數（W/mK）實施例11.65186.798.312.1實施例21.75185.698.512.2實施例31.55184.697.912.1實施例41.65188.798.412.3對比例13.19123.465.22.0對比例22.78118.374.81.8本發明的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料以石墨烯、氮化碳、聚己內酯、異丙醇鋁、硼化鈦、對甲苯磺酸、氫氧化鎂、四氯化矽、稀土為主要成分，通過加入N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺醯亞胺鹽、三甘醇、硬脂酸甘油單酯、碳酸二甲酯、三乙胺、澱粉辛烯基琥珀酸鋁、分散劑、矽烷偶聯劑、膠黏劑，輔以超聲分散、攪拌密煉、惰性氣體環境混煉、噴霧乾燥、物料塗覆電極等工藝，使得製備而成的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料，其導電性能優良、導熱性能良好、電化性能佳，能夠提高電極的循環性能，能夠滿足行業的要求，具有較好的應用前景。本發明的氮化碳包覆的超導石墨烯電極材料原料易得、工藝簡單，適於大規模工業化運用，實用性強。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的
技術領域：
，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。當前第1頁1 2 3