[發明專利]一種3D碗狀混合納米結構石墨烯超級電容器電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410583167.5
• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104319117A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 亓鈞雷;王旭;張夫;費維棟;馮吉才
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及石墨烯超級電容器電極材料的制備方法。

背景技術

超級電容器是一種新型儲能器件，具有高功率、高效率、壽命長、環境友好等特點，其發展和應用在國防、消費電子和汽車工業等多個領域具有良好前景。相比于傳統的燃料電池和二次電池，超級電容器具有更高的功率密度，因此在汽車工業中，將其與燃料電池并聯作為電動汽車的動力系統。同時，由于較低的成本和超長的循環使用壽命，超級電容器在消費電子產品中被廣泛使用。雖然超級電容器的能量密度遠高于傳統的電解質電容器，但卻低于燃料電池和二次電池，這一問題嚴重制約了超級電容器的應用。因此，開發高性能電極材料以提高其能量密度，是現在研究的重點之一。近年來，石墨烯成為制備超級電容器電極的熱門材料，這主要由于二維共軛石墨結構使石墨烯及其復合材料具有很多獨特的性能，包括優異的電學性能、力學性能和光學性能等，也賦予其巨大的比表面積，使其在提高超級電容器能量密度方面具有潛在價值。

然而，在傳統石墨烯制備方法中，溫度過高可能會引起石墨烯結構性質的變化和石墨烯褶皺的形成，最主要的是無法控制石墨烯的層數，易發生堆疊。大量堆疊的石墨烯不僅阻礙了電荷的傳輸，使電荷湮滅幾率增大，也導致電荷傳導和存儲的有效面積大大降低。同時，二維平面基底的面積是一定的，限制了可沉積的石墨烯數量，使電極材料的有效比表面積無法繼續提高。要提高沉積的石墨烯數量就必須增大其基底的面積，不利于在高集成度微納米電子器件中的應用。

發明內容

本發明要解決現有石墨烯制備方法中，溫度過高可能會引起石墨烯結構性質的變化和石墨烯褶皺的形成，阻礙了電荷的傳輸，使電荷湮滅幾率增大，也導致電荷傳導和存儲的有效面積大大降低，且二維平面基底的面積是一定的，限制了可沉積的石墨烯數量，使電極材料的有效比表面積無法繼續提高的問題，而提供一種3D碗狀混合納米結構石墨烯超級電容器電極材料的制備方法。

一種3D碗狀混合納米結構石墨烯超級電容器電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的：

一、將基底材料置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為5Pa以下，以氣體流量為65sccm～95sccm通入氬氣，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為100Pa～300Pa，并在壓強為100Pa～300Pa和氬氣氣氛下，以升溫速率為30℃/min將溫度升溫至為700℃～900℃；

二、在溫度為700℃～900℃、壓強為100Pa～300Pa和氬氣氣氛下對基底材料進行退火處理，退火時間為15min～60min；

三、通入碳源氣體，調節碳源氣體的氣體流量為5sccm～35sccm、氬氣的氣體流量為65sccm～95sccm，并調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為200Pa～1000Pa，然后在沉積系統射頻電源頻率為13.56MHz、射頻功率為150W～250W、壓強為200Pa～1000Pa和溫度為700℃～900℃的條件下進行沉積，沉積時間為20min～60min；

所述的碳源氣體與氬氣的總氣體流量為100sccm；

四、沉積結束后，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入碳源氣體，繼續以氣體流量為65sccm～95sccm通入氬氣，并調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為100Pa～300Pa，在壓強為100Pa～300Pa和氬氣氣氛下從溫度為700℃～900℃冷卻至室溫，即得到3D碗狀混合納米結構石墨烯超級電容器電極材料。

本發明的有益效果是：1、本發明選用的基底材料為Pt/Ti/SiO₂/Si多層混合襯底材料，通過在傳統的Pt/Si基片間加入Ti，通過退火可實現平面基底轉變為三維碗狀結構。這主要是由于Pt的熔點相對較低，在700℃～900℃退火過程中會發生原子團聚現象。同時，Pt在Ti中的固溶度較低，且在Ti表面的潤濕性較差，無法互溶或完全鋪展。因此當Pt層很薄(150nm～200nm)時，通過優化退火溫度及時間，在退火過程中Pt層會在Ti層表面發生原子團聚而形成碗狀的三維多孔結構。這種碗狀的三維多孔結構基底材料有利于提高垂直生長石墨烯的分布密度，可以進一步提高電極材料的比表面積。同時，Ti具有良好的導電性，有利于制備高性能的石墨烯基超級電容器。