[00915078]一种基于石墨烯/壳聚糖多孔碳复合材料及其制备方法和应用

壳聚糖(chitosan)，又名脱乙酰甲壳素，是甲壳素脱N-乙酰基的产物，壳聚糖氮元素的含量在自然界的生物聚合物中仅次于氮元素含量最高的纤维素。壳聚糖作为一种天然高分子聚合物，来源广泛，碳含量高，是极佳的活性碳生产原料。由于壳聚糖的N-脱乙酰度较高，其分子结构中的一部分氢键被破坏，加上壳聚糖分子中本身存在的大量羧基和氨基，从而使其具有较强的螯和、吸附能力和反应活性。迄今，壳聚糖已被广泛应用于电化学分析，其优越的性能使得将壳聚糖作为超级电容器的电极材料成为可能。并且将氧化石墨烯与其复合，可以在氧化石墨烯中引入N，而氧化石墨烯作为一种结构优异，导电性好的材料，改善了复合材料的结构和导电性，提升了GO/CS复合材料的电化学性能。将金属离子加入到GO/CS溶液中，利用其中的羟基、氨基的配位作用，使金属离子如CO₂+、Ni2+等均匀分散在材料表面，再加入NaBH₄还原，引入B，非金属原子可以很大程度上提高超级电容器的比电容，提升材料的电化学性能。这为制备可控浓度掺杂的镍、钴金属氧化物提供了良好的前驱体，而且变废为宝，实现资源的有效利用。超级电容器电极材料一直是近年来研究的热点，如何将双电层电容器电极材料和法拉第电容电极材料有机的结合起来得到高比电容的材料一直是研究人员关注的焦点。法拉第电容电极材料，如过渡金属氧化物，比电容高，但导电性和稳定性差；双电层电容器电极材料，如碳材料，稳定性好，但比电容低。 该发明公开了一种基于氮掺杂氧化石墨烯/壳聚糖吸附的镍、钴、硼的多孔碳复合材料，由氧化石墨烯和壳聚糖复合材料固化吸附了Co、Ni、B离子后，进行高温煅烧制得。以吸附了镍、钴、硼的固化Go/CS复合材料为前驱体，采用两步煅烧法，将镍、钴氧化物均匀地分散在多孔碳的孔道内。其制备方法包括：1)将氧化石墨烯与壳聚糖溶于乙酸中搅拌复合，将其冷冻干燥，然后在高温下碳化，得到氮掺杂的复合材料；2)将碳化后的材料加入Ni(NO₃)2和Co(NO₃)2的水和乙醇混合溶剂中反应，一段时间后加入NaBH₄，放入反应釜中反应，处理后得到前驱体；3)将前驱体煅烧即可。作为超级电容器电极材料的应用，比电容为800-900F/g。该发明不仅表现出双电层电容性能，而且表现出法拉第电容性能，因而用于超级电容器的电极材料表现出良好的性能。