一種石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯量子點(diǎn)?殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究。包括以下步驟：石墨烯量子點(diǎn)?殼聚糖基多孔碳材料的制備、多孔碳材料修飾電極的制備、多孔碳材料電容性能的測(cè)試、多孔碳材料循環(huán)壽命的測(cè)試。本發(fā)明的有益效果是這種多孔碳材料具有較大比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的電容行為和循環(huán)壽命。
【專利說(shuō)明】
一種石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，屬于超級(jí)電容器性能研究和材料合成領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]多孔材料是指由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一種材料，其具有分子尺寸的均勻孔道結(jié)構(gòu)、連續(xù)的孔道體系和大的比表面積等特性。在眾多的多孔材料中，多孔碳材料由于其獨(dú)特的性質(zhì)、合成原料豐富且容易獲取，因此在現(xiàn)代科學(xué)中被普遍應(yīng)用。多孔碳材料是指以碳作為基本骨架，具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的一類材料。多孔碳材料擁有化學(xué)穩(wěn)定性高、耐酸堿、耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特點(diǎn)，通常具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性高、優(yōu)良的耐熱、耐酸堿及獨(dú)特的電子傳導(dǎo)性質(zhì)，是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的重要材料之一，被廣泛應(yīng)用于燃料電池、電催化、儲(chǔ)氫以及光子晶體等眾多領(lǐng)域。生物質(zhì)材料作為制備多孔碳的一種原材料，不僅具有易獲取、可再生、簡(jiǎn)易、環(huán)境友好等特點(diǎn)，并且以生物質(zhì)為前驅(qū)體所制備的多孔材料擁有獨(dú)特且復(fù)雜的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)。生活中常見(jiàn)的很多生物質(zhì)材料都可以用來(lái)制造多孔碳，比如椰殼、榛果殼、桉樹葉等。
[0003]殼聚糖是地球上最為豐富的天然聚合物之一，一般通過(guò)甲殼素脫乙酰作用獲得。殼聚糖擁有良好的生物相容性、生物可降解性、豐富的官能團(tuán)等眾多優(yōu)點(diǎn)，在食品包裝、水處理、膜分離、組織工程和藥物緩釋領(lǐng)域引起了較多的關(guān)注。石墨烯量子點(diǎn)是小于10nm的石墨烯片，作為一種新型的零維碳納米材料受到了廣泛的關(guān)注，但是將石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于電化學(xué)傳感平臺(tái)仍是一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。相比于碳納米管和石墨烯等碳材料，石墨烯量子點(diǎn)擁有更小的尺寸以及更優(yōu)異的分散性。因此將石墨烯量子點(diǎn)作為納米填料分散于聚合物基體中，理論上可以顯著改善材料的力學(xué)性能。其中，納米填料在聚合物基體中的分散性以及兩者之間的界面粘合性是至關(guān)重要的因素。石墨烯量子點(diǎn)表面所含的-COOH在水溶液中易電離成-C00—，使石墨烯量子點(diǎn)呈現(xiàn)電負(fù)性。另一方面，親水性聚合物殼聚糖分子鏈上擁有豐富的-NH2，在酸性介質(zhì)中(如醋酸、鹽酸等)易被質(zhì)子化。在水溶液中，被質(zhì)子化的聚陽(yáng)離子殼聚糖與表面呈電負(fù)性的石墨烯量子點(diǎn)之間發(fā)生靜電作用，當(dāng)兩者之間電荷達(dá)到平衡后，將會(huì)形成穩(wěn)定的凝聚態(tài)復(fù)合物從水溶液中沉淀出來(lái)。
[0004]本項(xiàng)工作以石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖納米復(fù)合材料為原料，通過(guò)高溫?zé)岱纸獾姆椒ㄖ苽涠嗫滋疾牧?。研究結(jié)果表明該多孔碳材料擁有較大的比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性能。該材料作為所制備超級(jí)電容器電極材料時(shí)，可得到較大的比電容和很好的循環(huán)穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是在于提供一種新的多孔碳材料的制備并將其應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料。本發(fā)明提供了一種新的多孔碳材料的制備方法，將殼聚糖粉末溶解在醋酸溶液中；然后加入石墨烯量子點(diǎn)，通過(guò)兩者的相互作用形成了石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖復(fù)合材料;最后將該材料在管式爐中煅燒得到該復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明所述一種石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，包括以下步驟:
[0007]a、制備石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料:取檸檬酸研磨成白色粉末后加入坩禍中，用程控箱式電爐加熱，冷卻至室溫后，取出固體樣品，加入超純水超聲溶解，待產(chǎn)物充分溶解后，抽濾得石墨烯量子點(diǎn)的黃色透明溶液，常溫下避光保存，將殼聚糖粉末溶解于醋酸溶液中，并逐步滴加石墨烯量子點(diǎn)溶液，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)攪拌，滴加完畢后再繼續(xù)滴加NaOH溶液至黃色固體沉淀物析出，冷凍干燥，即得石墨稀量子點(diǎn)-殼聚糖納米復(fù)合材料，在氮?dú)夥諊赂邷仂褵?，所得黑色固體產(chǎn)物即為多孔碳材料；
[0008]b、多孔碳材料修飾電極的制備:將步驟a中所得多孔碳材料超聲分散于超純水中，再滴涂于電極表面，置于室溫下干燥，即得多孔碳材料修飾電極；
[0009 ] c、多孔碳材料電容性能的測(cè)試:通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行多孔碳材料電容性能的測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，多孔碳材料修飾電極為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，電解液為H2SO4溶液，在以上條件下進(jìn)行計(jì)時(shí)電位測(cè)試，并通過(guò)計(jì)時(shí)電位圖計(jì)算多孔碳材料的比電容；
[0010]d、多孔碳材料循環(huán)壽命的測(cè)試:通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行多孔碳材料循環(huán)性能的測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，多孔碳材料修飾電極為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極,H2SO4溶液為電解液，在以上條件下進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，對(duì)多孔碳材料在不同充放電次數(shù)下的比電容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟a中檸檬酸質(zhì)量為I?3g，加熱溫度為100?300°C，加熱時(shí)間30?50mino
[00?2]進(jìn)一步，所述步驟a中殼聚糖溶液濃度為I?4mg/mL，石墨稀量子點(diǎn)溶液的濃度是I?4mg/mL，高溫煅燒溫度為750 °C，時(shí)間為6h。
[00?3 ]進(jìn)一步，所述步驟b中多孔碳材料的分散液濃度為I?5mg/ mL。
[0014]進(jìn)一步，所述步驟c和d中電化學(xué)測(cè)試中H2SO4電解液濃度為0.5?2mol/L。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:多孔碳材料不僅擁有其前驅(qū)體材料所具備的三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，還具有較大比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的電容行為和循環(huán)使用性能。
【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]圖1為實(shí)施例中所制備的多孔碳材料的掃描電鏡圖；
[0018]圖2為實(shí)施例中所制備的多孔碳材料在電流密度分別為lA/g、2A/g、3A/g、5A/g、I OA/g、20A/g時(shí)的計(jì)時(shí)電位曲線；
[0019]圖3為實(shí)施例中所制備的多孔碳材料的循環(huán)壽命曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，以下實(shí)施例旨在說(shuō)明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
[0021 ] 實(shí)施例:
[0022]石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究包括以下幾個(gè)步驟:
[0023](I)制備石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料:取2g檸檬酸研磨成白色粉末后加入坩禍中，用程控箱式電爐200°C加熱30min，冷卻至室溫后，取出固體樣品，加入超純水超聲溶解，待產(chǎn)物充分溶解后，抽濾得石墨烯量子點(diǎn)的黃色透明溶液，常溫下避光保存，將殼聚糖粉末溶解于0.lmol/L醋酸溶液中，并逐步滴加2mg/mL石墨烯量子點(diǎn)溶液，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)攪拌，滴加完畢后再繼續(xù)滴加NaOH溶液至黃色固體沉淀物析出，冷凍干燥，即得石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖納米復(fù)合材料，在氮?dú)夥諊赂邷仂褵?，所得黑色固體產(chǎn)物即為多孔碳材料。
[0024](2)多孔碳材料修飾電極的制備:將步驟(I)制得的多孔碳材料進(jìn)行超聲分散，然后將2mg/mL的分散液5uL滴涂到電極上，室溫下干燥，得到該多孔碳材料修飾的電極。
[0025](3)多孔碳材料電容性能的測(cè)試:通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行多孔碳材料電容性能的測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，多孔碳材料修飾電極為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，電解液為lmol/L H2SO4溶液，在以上條件下進(jìn)行計(jì)時(shí)電位測(cè)試，并通過(guò)計(jì)時(shí)電位圖計(jì)算多孔碳材料的比電容。如圖2，該多孔碳材料具有很好的電容性能，在電流密度為IA/g時(shí)，其比電容為545F/g。
[0026](4)多孔碳材料循環(huán)壽命的測(cè)試:通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行多孔碳材料循環(huán)性能的測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，多孔碳材料修飾電極為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，lmol/L H2SO4溶液為電解液，在以上條件下進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，對(duì)多孔碳材料在不同充放電次數(shù)下的比電容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如圖3，該多孔碳材料經(jīng)過(guò)5000次充放電后，其電容保持率為88 %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，其特征在于:步驟如下: a、制備石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料:取檸檬酸研磨成白色粉末后加入坩禍中，用程控箱式電爐加熱，冷卻至室溫后，取出固體樣品，加入超純水超聲溶解，待產(chǎn)物充分溶解后，抽濾得石墨烯量子點(diǎn)的黃色透明溶液，常溫下避光保存，將殼聚糖粉末溶解于醋酸溶液中，并逐步滴加石墨烯量子點(diǎn)溶液，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)攪拌，滴加完畢后再繼續(xù)滴加NaOH溶液至黃色固體沉淀物析出，冷凍干燥，即得石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖納米復(fù)合材料，在氮?dú)夥諊赂邷仂褵煤谏腆w產(chǎn)物即為多孔碳材料； b、多孔碳材料修飾電極的制備:將步驟a中所得多孔碳材料超聲分散于超純水中，再滴涂于電極表面，置于室溫下干燥，即得多孔碳材料修飾電極； C、多孔碳材料電容性能的測(cè)試:通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行多孔碳材料電容性能的測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，多孔碳材料修飾電極為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，電解液為H2SO4溶液，在以上條件下進(jìn)行計(jì)時(shí)電位測(cè)試，并通過(guò)計(jì)時(shí)電位圖計(jì)算多孔碳材料的比電容； d、多孔碳材料循環(huán)壽命的測(cè)試:通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行多孔碳材料循環(huán)性能的測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，多孔碳材料修飾電極為工作電極，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，H2SO4溶液為電解液，在以上條件下進(jìn)行計(jì)時(shí)電位測(cè)試，對(duì)多孔碳材料在不同充放電次數(shù)下的比電容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟a中檸檬酸質(zhì)量為I?3g，加熱溫度為100?300°C，加熱時(shí)間30?50min。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟a中殼聚糖溶液濃度為I?4mg/mL，石墨稀量子點(diǎn)溶液的濃度是I?4mg/mL，高溫煅燒溫度為750 0C，時(shí)間為6h。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟b中多孔碳材料的分散液濃度為I?5mg/ mL。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述石墨烯量子點(diǎn)-殼聚糖基多孔碳材料的制備及其電容性能研究，其特征是:所述步驟c和d中電化學(xué)測(cè)試*H2S04電解液濃度為0.5?2mol/L。
【文檔編號(hào)】H01G11/86GK106024421SQ201610309051
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】孔泳, 王丙虎, 歐潔
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)