[發明專利]一種用于超級電容器電極材料的水溶性石墨烯及其制備方法

有效

• 申請號: 201110412306.4
• 申請日: 2011-12-13
• 公開（公告）號: CN102543463A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 杜飛鵬;王晶晶;葉恩洲;鄢國平;李亮;郭慶中
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明涉及一種用于超級電容器電極材料的水溶性石墨烯及其制備方法。

背景技術

2004年英國曼徹斯特大學的Geim等首次用微機械剝離的方法制備出了單層結構的石墨—石墨烯（具體參見Novoselov?K?S,?Geim?A?K,?Morozov?S?V,?et?al.?Science,?2004,?306,?666-669）。石墨烯具有極高的比表面積、優異的導熱、導電和力學性能，以及在室溫下具有高速的電子遷移率，在電子器件、生物醫藥等領域具有潛在的應用前景。近期，很多研究者都致力于大尺寸、規?；┑暮铣?。在溶液體系中的化學氧化還原法是成本低、成批量生產石墨烯的潛在方法，其過程是石墨經氧化后得到氧化石墨，然后在極性溶劑中經過超聲分散、剝離成單層的氧化石墨烯；然后氧化石墨烯經還原得到石墨烯。但石墨烯片由于π-π共軛作用和范德華力很容易發生堆積和團聚。所以，目前石墨烯制備和應用過程中的最大挑戰就是如何得到穩定的單層石墨烯片來充分發揮其獨特的物理性能。

Li等人在不采用高分子穩定劑和表面活性劑幫助的情況下，制備了能穩定分散在水溶液中的石墨烯（具體參見Li?D,?Müller?M?B,?Gilje?S,?et?al.Nat.?Nanotechnol.,?2008,3,?101-105）。但是，當石墨烯的濃度超過0.5?mg/mL時，石墨烯膠體分散不穩定。Si等人用磺化聚苯胺通過π-π相互作用制備了水溶性石墨烯（具體參見Si?Y.,?Samulski?E.?T.,?Chem.?Mater.,?2008,?20,?6792-6797）。Ruoff等人用對苯乙烯磺酸鈉通過非共價鍵方式接枝了石墨烯（具體參見Stankovich?S.,?Piner?R.?D.,?Chen?X.,?et?al.?J.?Mater.?Chem.,?2006,?16,?155-158）。但是非共價鍵修飾方法得到的聚合物接枝石墨烯無法避免高分子鏈和石墨烯之間的相分離，使得石墨烯再次團聚。

另外，在石墨烯用于超級電容器電極材料中，發現由于石墨烯的不親水也不親油的性質，使得石墨烯基超級電容器的雙電層上離子的遷移或電子的傳輸受阻，導致其比電容較低；而非共價鍵方式得到的聚合物接枝石墨烯基超級電容器中由于相分離的趨勢，使得器件的熱穩定性和電化學穩定性較差。?

到目前為止，用聚苯乙烯磺酸鈉對石墨烯進行共價修飾、提高石墨烯的水溶性和改善石墨烯基超級電容器電極材料的比電容特性，其相關材料及制備方法還未見報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術而提供了一種用于超級電容器電極材料的水溶性石墨烯（即聚苯乙烯磺酸鈉共價接枝石墨烯），其具有良好的水溶性及較大的比電容。

本發明的還有一個目的是提供該水溶性石墨烯的制備方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種用于超級電容器電極材料的水溶性石墨烯，其特征在于其組分包括有氧化石墨、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽、4-二甲氨基吡啶、乙二胺、丙烯酸、對苯乙烯磺酸鈉、引發劑和還原劑經反應制備而成，所述的組分含量按重量份數計為：

氧化石墨?1份；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽?1.5~75份；4-二甲氨基吡啶1.5~75份；乙二胺1~50份；丙烯酸1~5000份；對苯乙烯磺酸鈉1~100份；引發劑0.001~0.03份；還原劑1~50份。

按上述方案，所述的引發劑為過硫酸銨、過硫酸鈉、過硫酸鉀、氫過氧化特丁基、氫過氧化異丙苯或氫過氧化對孟烷。

按上述方案，所述的還原劑為硼氫化鈉、水合肼、乙二胺、硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉或硫酸亞鐵。

本發明用于超級電容器電極材料的水溶性石墨烯的制備方法所采用的技術方案是：包括有以下步驟：

1）利用天然石墨通過化學氧化方法制備單層或多層氧化石墨；

2）按下述重量份數取料：氧化石墨?1份；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽?1.5~75份；4-二甲氨基吡啶1.5~75份；乙二胺1~50份；丙烯酸1~5000份；對苯乙烯磺酸鈉1~100份；引發劑0.001~0.03份；還原劑1~50份；