[發明專利]一種三維絮狀石墨烯基底材料的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201410361360.4
• 申請日: 2014-07-27
• 公開（公告）號: CN104163421A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 汪浩;吳春卉;嚴輝;劉晶冰;朱滿康;王波;王如志
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種可應用于超級電容等領域的三維絮狀石墨烯基底材料的制備方法，屬于功能納米材料的制備技術領域。

背景技術

超級電容器，又叫電化學電容器，具有功率密度高，可快速充放電，循環穩定性好等特點，成為新一代理想的新型能量存儲器件，而備受人們關注?，F有技術公開報道過的大多數電極制備的方法主要是將活性物質粉末、導電劑和粘結劑攪拌成泥漿通過涂布的方法制備在集流器上用作超級電容器的電極，但是這種制備電極的方法存在一定的接觸電阻，因此，制備一種用于活性物質直接生長的具有高導電性能的基底電極材料是很有必要的。

石墨烯材料是一種單層碳原子經過sp²雜化緊密堆積而成的具有二維蜂窩狀結構的新材料,厚度僅0.335nm。自2004年英國曼徹斯特大學的科學家制備出單層石墨烯以來，石墨烯已經受到了科學界和工業界的廣泛關注。石墨烯具有優異的電學性能，優良的化學穩定性和熱力學穩定性，以及物理性能和機械性能。目前石墨烯的制備方法包括機械剝離法，化學剝離法，化學合成法，催化生長法以及電化學剝離法等，其中化學剝離法更適合于石墨烯的大規模生產過程而得到廣泛應用?；瘜W剝離法是在強酸強氧化的條件下，將石墨氧化、分散后得到層狀氧化石墨烯，再將其通過化學還原、電化學還原、熱還原等方法將其還原得到石墨烯。但是在實際應用過程中，由于石墨烯片層間的范德華力的作用使得石墨烯容易發生自身團聚，并且比表面積的利用率和表面結構均不理想，制約了其進一步的應用與發展。隨著對石墨烯材料的研究的進一步深入，具有特殊結構的各種三維結構的石墨烯材料越來越受到人們的關注。如Ruoff?S.等將氧化石墨烯先進行微波輔助剝離后再使用強堿KOH刻蝕，得到超高比表面積(3100m²/g)和高導電率(500S/m)的活化微波氧化石墨烯。但是，雖然通過KOH的刻蝕能夠形成豐富的微孔結構，大大增加材料的比表面積，但同時也會造成碳結構缺陷，對材料的電學性質產生負效應。因此，通過簡單易控的方法制備出高性能的石墨烯材料將能夠進一步加快石墨烯在儲能領域的應用。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種作為超級電容器電極基底材料的三維絮狀石墨烯材料的制備方法，該方法無需昂貴的設備，制備工序快速易操作。

本發明中使用的聚苯乙烯(PS)小球分散液是質量濃度為2.5～5wt％,聚苯乙烯小球為2～3μm的水分散液。

本發明中使用的氨水溶液是質量濃度為25～28％的濃氨水溶液。

本發明中的一種三維絮狀石墨烯材料的制備方法，按以下步驟進行：一、將氧化石墨置于坩堝中，將馬弗爐以5～20℃/min的速率加熱至溫度為900～1100℃后將坩堝放入馬弗爐后保溫0.5～2min后，將坩堝取出，制得膨脹石墨；二、取10～20mg膨脹石墨分散于10～30mL水中，加入200～800μL聚苯乙烯小球水分散液后超聲1h～4h；三、將膨脹石墨-聚苯乙烯復合體系分散液直接用2～4L/s的速率抽濾到泡沫鎳上，在40～60℃下干燥12～18h后將負載有膨脹石墨-聚苯乙烯的泡沫鎳置于水合肼與氨水體積比為1:5～1:10的混合溶液中，在90～95℃下反應1～3h后取出后用去離子水浸泡洗滌3～5次后，在40～60℃下干燥12～18h制得負載有石墨烯-聚苯乙烯的泡沫鎳基底材料；四、將上一步驟制得的負載有石墨烯-聚苯乙烯的泡沫鎳基底材料在管式爐中在真空條件下以1～2℃/min的升溫速率升溫至450～500℃，保溫1～2h后取出，得到在泡沫鎳上制備的三維絮狀石墨烯基底材料。

進一步地，本發明提供了所述方法制備的三維絮狀石墨烯基底材料可以與二氧化鈦(TiO₂)、二氧化錳(MnO₂)、四氧化三鐵(Fe₃O₄)、氧化鈷(CoO)、四氧化三鈷(Co₃O₄)復合得到三維結構的復合材料并應用于超級電容器、鋰離子電池、光催化等領域。

本發明的有益效果如下：

1、采用上述方法制備的三維絮狀石墨烯材料具有類似于孔結構的三維絮狀結構，并且具有優異的導電性能，可大大降低電容器的內阻，提高電極活性物質的電容性能；

2、該結構的實現主要采用簡單快速易操作的抽濾的方法并且結合模板法得到這種獨特的三維絮狀石墨烯結構，實現了石墨烯片層的有效分離，這種結構也非常有利于超級電容等領域的電極活性材料如四氧化三鈷的三維生長，從而避免了使用不導電的粘結劑來制備超級電容器的電極；