[發明專利]制備石墨烯/氫氧化鈷超級電容器復合電極材料的方法

有效

• 申請號: 201110242266.3
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN102354610A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 鄭偉濤;王欣;趙翠梅;趙云霄
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域

本發明涉及一種電化學超級電容器復合電極材料的制備方法。具體涉及到使用化學氣相沉積方法在泡沫鎳基底上制備豎直生長的少層石墨烯，并以此為基底，通過電化學沉積的方法沉積氫氧化物，實現電極材料的復合。

背景技術

隨著人類社會的進步，對能源的需求飛速增長，全球變暖和能源危機已成為人類必須面臨的兩個嚴峻挑戰，發展新型的能量存儲裝置成為21世紀人類解決能源問題新的有效途徑。電化學超級電容器兼有傳統電容器高的比功率和蓄電池高的比能量的特點，可廣泛用于信息、電子、能源、環境、交通和軍工等領域，而開發一種生產成本低、較大容量、具有優異瞬時充放電性能、循環性好的的電化學電容器電極材料迫在眉睫。

目前電極材料的制備主要集中在兩類：用作雙電層電容器的各種碳材料，其特點是導電率高、表面積大、具有合適的孔徑分布、穩定性好，但比容一般較低；另一類是用作法拉第電容器的導電聚合物材料及金屬氧化物材料等，其比容一般較高，但穩定性較差，其中氧化釕比容量高、導電性好、在電解液中非常穩定，是目前性能最為優良的超級電容器電極材料，但是由于釕屬于稀貴金屬，資源有限，價格過高，對環境有污染，無法在短期內進行規模化生產，尋找低成本高性能的替代材料是當今的研究熱點。石墨烯具有高的比表面積，良好的導電性導熱性，柔韌性好，力學強度高，因而預示著石墨烯可以作為性能穩定的超薄型電極材料。金屬氧化物/氫氧化物如RuO₂，IrO₂，MnO₂，NiO_x/Ni(OH)₂等以其高的贗電容性能可以與碳材料復合獲得具有高比容的復合材料，但目前報道的石墨烯復合電極材料比容還是很低的。氫氧化鈷本身具有多層結構和大的層間距，高的理論比容3560F/g，高的循環特性，低成本，是極具研究前景的電極材料，但是目前報道的比容和理論比容還有很大距離。關于石墨烯與金屬氧化物/氫氧化物的復合主要集中于水熱法，化學沉淀法等，并沒有關于化學氣相沉積方法在泡沫鎳基底上生長少層石墨烯，并以此為基底用電化學沉積的方法實現石墨烯/氫氧化物復合作為電極材料的相關報道。

發明內容

本發明的目的在于，從以上背景出發，提出一種新型的制備超級電容器復合電極材料的方法。特別是一種制備石墨烯/氫氧化鈷超級電容器復合電極材料的方法，首先以化學氣相沉積作為手段，以碳源氣體作為反應氣體，氬氣作為濺射氣體制備豎直生長的少層石墨烯，從根本上克服了化學方法制備的石墨烯缺陷多、分散性差及導電性差的缺點。通過化學氣相沉積方法在泡沫鎳基底上直接生長豎直生長的少層石墨烯，通過電化學沉積的方法將石墨烯與氫氧化鈷復合，得到電化學電容器電極材料生產成本低、比容量較高、瞬時充放電性能優異、循環穩定性好。

本發明的基本技術方案的概括如下：

選用泡沫鎳作為基底，此過程使用烴類氣體作為碳源氣體，同時通入氬氣作為濺射氣體，控制反應溫度，進行化學氣相沉積，從而在基底上制備出豎直生長的少層石墨烯。然后以硝酸鈷為電解液，將以上生長石墨烯的泡沫鎳作為工作電極，鉑片作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極，進行電化學沉積，從而在基底上生長氫氧化鈷，實現石墨烯與氫氧化鈷的復合。

本發明的具體技術參數及最優選取方案介紹如下：

本發明中豎直生長石墨烯的制備，采用等離子體化學氣相沉積(PECVD)技術，以泡沫鎳為基底。PECVD生長少層石墨烯過程主要分為以下步驟：

1)系統抽真空，通入某些氣體作保護氣體升溫至預定溫度(反應溫度)，通入反應氣體，待溫度達到反應溫度時，保溫一段時間，使氣體混合均勻。

2)碳源氣體、濺射氣體合理配比，即C_mH_n/Ar＝20/80，單位為sccm，調整反應氣壓，設定射頻功率及濺射時間，反應原料充分離化、分解，轉變成活性基團，在泡沫鎳基底上最終制備出豎直生長的少層石墨烯。

3)通保護氣體降溫至100℃以下。

本發明中多層結構的氫氧化鈷的制備，采用恒電位電化學沉積技術，在生長少層石墨烯的基底上沉積氫氧化鈷，主要步驟包括：

1)恒溫水浴槽升溫至預定溫度(反應溫度)，待溫度達到反應溫度時，保溫一段時間，使電化學沉積系統維持恒溫。

2)將沉積電位調節到實驗所需數值，按實驗預定沉積電量進行電沉積；電解完畢后，關閉恒壓電源，取出電解陰極，用去離子水清洗陰極表面多次，自然晾干即可得到石墨烯/氫氧化鈷復合薄膜電極。