一種葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的製備方法和應用與流程
2023-05-31 15:33:56 4
本發明屬於新能源電子材料技術領域，涉及一種葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的製備方法和應用。
背景技術：
葡萄糖，是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖，它是一種多羥基醛，可以做為碳前驅體來製備活性碳材料。Yang等人通過石墨烯和葡萄糖球複合，得到了一種電性能比較好的鋰離子電池材料，在5A/g充放電電流密度下，可逆比容量最大可達925mAh/g（Yongqiang Yang, Ruiqing Pang, Xuejiao Zhou, Yan Zhang, Haixia Wu，Shouwu Guo，Composites of chemically-reduced graphene oxide sheets and carbon nanospheres with three-dimensional network structure as anode materials for lithium ion batteries，Journal of Materials Chemistry，2012，22，23194-23200）。Wu等人通過葡萄糖和聚苯胺複合，得到了一種電性能比較好的超級電容器電極材料，在100mA/g的比電容為351.7F/g（Chun Wu, Xianyou Wang, Bowei Ju, Xiaoyan Zhang, Lanlan Jiang, Hao Wu，International Journal of Hydrogen Energy，Supercapacitive behaviors of activated mesocarbon microbeads coated with polyaniline，2012，37，14365-14372）。
中國專利文獻CN103714979A公開了一種超級電容器用磷摻雜多孔碳材料及其製備方法，包括以下步驟：（1）將碳水化合物和無機酸按質量比1~10分別加入去離子水中，去離子水的用量為碳水化合物的2~5倍，然後以100~500r/min的攪拌速率攪拌1~5小時；（2）將步驟（1）得到的混合溶液置於溫度為100~200oC的鼓風乾燥箱中預反應12~48小時，得到固體混合物；（3）將步驟（2）得到的預反應產物置於高溫炭化爐中，在氮氣氣氛下，以1~10oC/min的升溫速率將溫度上升至700~900oC，恆溫碳化0.5~5小時，然後自然冷卻至室溫，製得磷摻雜多孔碳材料。但是該方法得到的磷摻雜多孔碳材料做電極材料時，比電容較低，當以1mol/L的H2SO4為電解液，恆電流放電電流密度在0.1A/g時比電容僅為320F/g。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供了一種比電容高、循環性能好的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的製備方法和應用。
本發明的技術方案如下：
根據本發明，一種葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的製備方法，包括步驟如下：
（1）將葡萄糖、硫脲以及十二烷基硫酸鈉溶於100ml蒸餾水中，超聲5min，然後轉移到聚四氟乙烯的反應釜中，在160~200oC水熱反應2~6h，得反應液；所述葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比為10~40:1:0.28；
（2）將步驟（1）得到的反應液經過濾、蒸餾水以及乙醇分別洗三次，然後在40~80oC下乾燥8~12h，得葡萄糖基碳材料；
（3）將步驟（2）得到的葡萄糖基碳材料浸漬於KOH水溶液中12~48h，經乾燥，然後在氬氣保護下於650~850oC活化2~4h，自然冷卻至室溫，得碳材料；所述葡萄糖基碳材料與KOH的質量比為0.5:1~2:1；所述KOH水溶液中KOH的質量濃度為1~5wt%；
（4）將步驟（3）得到的碳材料用酸溶液洗滌，然後用蒸餾水洗滌至中性；
（5）將步驟（4）得到的產物在40~80oC下乾燥8~12h後，即得葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料。
根據本發明，優選的，步驟（1）中所述的葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比是20:1:0.28。
根據本發明，優選的，步驟（1）中所述的水熱反應溫度是180oC。
根據本發明，優選的，步驟（1）中所述的水熱反應時間是4h。
根據本發明，優選的，步驟（3）中所述的活化溫度是750oC。
根據本發明，優選的，步驟（3）中所述的葡萄糖基碳材料與KOH的質量比是1:1。
根據本發明，優選的，步驟（3）中所述的活化時間是3h。
根據本發明，優選的，步驟（4）中所述的酸溶液是鹽酸溶液，其可以通過商業途徑獲得。
一種葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料應用於超級電容器電極材料。
本發明的技術優勢如下：
(1) 本發明製備過程簡單，具有可控性，可以通過控制葡萄糖與KOH的比例來控制碳材料的比表面積及孔結構；
(2) 本發明製備得到的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料具有結構穩定、電化學性能優異、循環性能好以及比電容量高等優點，非常適合作為電極材料應用於超級電容器領域；
(3)本發明經過硫脲摻雜後，仍能保持中空球狀結構，且電性能得到大幅度提高。
附圖說明
圖1為本發明實施例1製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的掃描電鏡圖。
圖2為本發明實施例1製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的透射電鏡圖。
圖3為本發明實施例1製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的恆電流充放電圖。
圖4為本發明實施例1製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料5000次循環充放電圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖對本發明做進一步的說明，但不限於此。
同時下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
實施例1：
將8.9g葡萄糖、0.188g硫脲以及0.2g十二烷基硫酸鈉溶於100ml蒸餾水中，超聲5min，然後轉移到聚四氟乙烯的反應釜中，在180oC水熱反應4h；經過濾、蒸餾水以及乙醇分別洗三次，然後在40oC下乾燥8h，得葡萄糖基碳材料；所述葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比為20:1:0.28；
將0.05g葡萄糖基碳材料浸漬於2.5g質量濃度為2wt%KOH溶液中24h，經乾燥，然後在氬氣保護下於750oC活化3h，自然冷卻至室溫；其中，葡萄糖基碳材料與KOH的質量比為1:1；
將上述得到的產物用稀酸溶液洗滌，然後用蒸餾水洗滌至中性；得到的產物在60oC下乾燥10h後，即得葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料。
採用三電極體系，以6mol/L氫氧化鉀溶液為電解液，1A/g測得比電容為281F/g，穩定性較好。
本實施例製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的掃描電鏡圖如圖1所示，由圖1可知聚合物是由大小不一的小球構成。
本實施例製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的透射電鏡圖如圖2所示，由圖2可知構成聚合物的小球是中空結構。
本實施例製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料的恆電流充放電如圖3所示，由圖3可知，1A/g測得比電容為281F/g，2A/g測得比電容為205F/g，3A/g測得比電容為183F/g，倍率性能較好。
本實施例製得的葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料5000次循環充放電如圖4所示，由圖4可知，該材料的在經過5000次循環充放電後，比電容提高了7%，循環性能較好。
實施例2：
將8.9g葡萄糖、0.188g硫脲以及0.2g十二烷基硫酸鈉溶於100ml蒸餾水中，葡萄糖與硫脲的摩爾比為20:1，超聲5min，然後轉移到聚四氟乙烯的反應釜中，在180oC水熱反應4h；經過濾、蒸餾水以及乙醇分別洗三次，然後在40oC下乾燥8h，得葡萄糖基碳材料；所述葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比為20:1:0.28；
將0.05g葡萄糖基碳材料浸漬於5g質量濃度為2wt%KOH溶液中24h，經乾燥，然後在氬氣保護下於750oC活化3h，自然冷卻至室溫；其中，葡萄糖基碳材料與KOH的質量比為0.5:1；
將上述得到的產物用稀酸溶液洗滌，然後用蒸餾水洗滌至中性；得到的產物在60oC下乾燥10h後，即得葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料。
採用三電極體系，以6mol/L氫氧化鉀溶液為電解液，1A/g測得比電容為208F/g，穩定性較好。
實施例3：
將8.9g葡萄糖、0.188g硫脲以及0.2g十二烷基硫酸鈉溶於100ml蒸餾水中，葡萄糖與硫脲的摩爾比為20:1，超聲5min，然後轉移到聚四氟乙烯的反應釜中，在180oC水熱反應4h；經過濾、蒸餾水以及乙醇分別洗三次，然後在40oC下乾燥8h，得葡萄糖基碳材料；所述葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比為20:1:0.28；
將0.05g葡萄糖基碳材料浸漬於1.25g質量濃度為2wt%KOH溶液中24h，經乾燥，然後在氬氣保護下於750oC活化3h，自然冷卻至室溫；其中，葡萄糖基碳材料與KOH的質量比為2:1；
將得到的產物用稀酸溶液洗滌，然後用蒸餾水洗滌至中性；得到的產物在60oC下乾燥10h後，即得葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料。
採用三電極體系，以6mol/L氫氧化鉀溶液為電解液，1A/g測得比電容為270F/g，穩定性較好。
實施例4：
將8.9g葡萄糖、0.188g硫脲以及0.2g十二烷基硫酸鈉溶於100ml蒸餾水中，葡萄糖與硫脲的摩爾比為20:1，超聲5min，然後轉移到聚四氟乙烯的反應釜中，在180oC水熱反應4h；經過濾、蒸餾水以及乙醇分別洗三次，然後在40oC下乾燥8h，得葡萄糖基碳材料；所述葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比為20:1:0.28；
將0.05g葡萄糖基碳材料浸漬於2.5g質量濃度為2wt%KOH溶液中24h，經乾燥，然後在氬氣保護下於650oC活化2h，自然冷卻至室溫；其中，葡萄糖基碳材料與KOH的質量比為1:1；
將得到的產物用稀酸溶液洗滌，然後用蒸餾水洗滌至中性；得到的產物在60oC下乾燥10h後，即得葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料。
採用三電極體系，以6mol/L氫氧化鉀溶液為電解液，1A/g測得比電容為201F/g，穩定性較好。
實施例5：
將8.9g葡萄糖、0.188g硫脲以及0.2g十二烷基硫酸鈉溶於100ml蒸餾水中，葡萄糖與硫脲的摩爾比為20:1，超聲5min，然後轉移到聚四氟乙烯的反應釜中，在180oC水熱反應4h；經過濾、蒸餾水以及乙醇分別洗三次，然後在40oC下乾燥8h，得葡萄糖基碳材料；所述葡萄糖、硫脲和十二烷基硫酸鈉的摩爾比為20:1:0.28；
將0.05g葡萄糖基碳材料浸漬於2.5g質量濃度為2wt%KOH溶液中24h，經乾燥，然後在氬氣保護下於850oC活化4h，自然冷卻至室溫；其中，葡萄糖基碳材料與KOH的質量比為1:1；
將得到的產物用稀酸溶液洗滌，然後用蒸餾水洗滌至中性；得到的產物在60oC下乾燥10h後，即得葡萄糖基多孔碳超級電容器電極材料。
採用三電極體系，以6mol/L氫氧化鉀溶液為電解液，1A/g測得比電容為256F/g，穩定性較好。