[發(fā)明專利]甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的制備及作為超級(jí)電容器電極材料的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410812469.5
• 申請(qǐng)日: 2014-12-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104658770B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡中愛(ài);任小英;胡海雄;強(qiáng)睿斌;安寧;陳嬋娟;李志敏;李麗;楊玉英;吳紅英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/86
• 分類號(hào): H01G11/86;H01G11/38
• 代理公司: 甘肅省知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心62100
• 代理人: 張英荷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的制備；本發(fā)明還涉及該甲基綠修飾的還原氧化石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料的應(yīng)用。

技術(shù)背景

隨著能源危機(jī)的產(chǎn)生，清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越引起人們的重視。同時(shí)，能源的儲(chǔ)備顯得尤為重要，開(kāi)發(fā)一種新型的能源儲(chǔ)存設(shè)備迫在眉睫。超級(jí)電容器由于其能量密度高、能快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于納米復(fù)合材料的合成以及便攜式電子產(chǎn)品，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和大型工業(yè)設(shè)備的制造等。電極材料是影響超級(jí)電容器性能的首要因素，主要有金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物以及碳材料。

石墨烯是一種新型的碳材料，由于其良好的導(dǎo)電性(103~104 S/m)、超大的比表面積(2630 m²/g)，良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，而引起了許多研究者的興趣。近年來(lái)，用一些具有可逆電化學(xué)活性的有機(jī)物小分子對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾，備受研究者們的關(guān)注。石墨烯和具有電化學(xué)活性的有機(jī)分子復(fù)合，一方面石墨烯可以有效克服自身團(tuán)聚或堆垛的缺點(diǎn)進(jìn)而更好地展現(xiàn)雙電層電容，另一方面有機(jī)物分子可以借助石墨烯良好的導(dǎo)電性在電化學(xué)過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)貢獻(xiàn)贗電容，這為制備一種新型的超級(jí)電容器材料提供了有效的途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于利用帶電荷且有芳香環(huán)的有機(jī)分子甲基綠的性能，提供一種甲基綠修飾的還原氧化石墨烯制備方法。

本發(fā)明的更重要目的在于提供一種該甲基綠修飾的還原氧化石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料的應(yīng)用。

一、甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的制備及結(jié)構(gòu)

本發(fā)明甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的制備：先將氧化石墨超聲分散于水中形成氧化石墨分散液，將甲基綠溶解于水中形成甲基綠溶液；再將氧化石墨分散液加入到甲基綠溶液攪拌均勻，加入水合肼作為還原劑，于80~90℃反應(yīng)8~12h，產(chǎn)物冷卻至室溫，過(guò)濾，洗滌，干燥，然后在空氣氣氛，200~300℃熱處理2~4 h，得到最終產(chǎn)物甲基綠修飾的還原氧化石墨烯材料。

氧化石墨分散液的濃度為0.5~1mg/mL；甲基綠溶液的濃度為0.2~0.4mg/mL；氧化石墨與甲基綠的質(zhì)量比為4:1~1:1；水合肼的用量為氧化石墨質(zhì)量的0.1~0.3倍。

下面通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、X射線衍射(XRD)對(duì)本發(fā)明制備的甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。

1、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)分析：圖2為本發(fā)明制備的甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)圖片。從圖2可以看出，復(fù)合材料顯示出與純還原氧化石墨烯RGO（見(jiàn)圖1）相似的片狀形貌，說(shuō)明甲基綠是以分子形式吸附到石墨烯片上的。

2、X衍射譜圖(XRD)分析：圖3為本發(fā)明制備的甲基綠修飾的還原氧化石墨烯以及RGO、未熱解的甲基綠/還原氧化石墨烯復(fù)合材料的X衍射譜圖(XRD)。在RGO (a) 的譜圖中，2θ=23.94°處出現(xiàn)了石墨烯的(002)晶面衍射峰，該峰對(duì)應(yīng)的晶面間距為3.71 ? 。吸附甲基綠后，甲基綠/還原氧化石墨烯復(fù)合物的衍射峰對(duì)應(yīng)的層間距增加到3.8 ? ，這表明甲基綠是以分子形式吸附到RGO上如圖3(b) 所示。此外，甲基綠/還原氧化石墨烯的(002)晶面衍射峰寬化表明其沿c軸方向的堆垛具有無(wú)序性。經(jīng)熱解的甲基綠修飾還原氧化石墨烯在2θ=24.40°處出現(xiàn)了石墨烯的(002)晶面衍射峰，該峰對(duì)應(yīng)的晶面間距為3.65 ? 。層間距變小，可能是由兩方面的原因引起的：一方面，可能由于吸附到石墨烯表面的甲基綠發(fā)生了一定的熱解；另一方面，可能是由于石墨烯完全還原發(fā)生團(tuán)聚而引起的。

二、甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的電化學(xué)性能

下面通過(guò)電化學(xué)工作站CHI660B對(duì)本發(fā)明制備的甲基綠修飾的還原氧化石墨烯的性能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1、超級(jí)電容器電極的制備

將甲基綠修飾的還原氧化石墨烯和乙炔黑以3:1~6:1的質(zhì)量比混合均勻后分散于Nafion溶液中（分散液中甲基綠修飾的還原氧化石墨烯和乙炔黑的質(zhì)量濃度為5.8~6.0mg/mL），超聲20~80min后，混合液用移液槍均勻涂覆于玻碳電極上，自然晾干，即得測(cè)試電極。涂覆于玻碳電極上混合液的量為5~8uL/cm²。

2、電化學(xué)性能測(cè)試