[發(fā)明專利]一種復(fù)合石墨烯氣凝膠電極、其制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810651815.4
• 申請日: 2018-06-22
• 公開（公告）號: CN108615621B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾瑋;王強(qiáng);衛(wèi)寧;梁棟;徐超;黃林生
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/26;H01G11/86
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34131
• 代理人: 孫永剛

本發(fā)明公開一種復(fù)合石墨烯氣凝膠電極，氣凝膠中摻雜有氮、硼、硫中的至少兩種元素，在石墨烯結(jié)構(gòu)中形成C?B鍵、N?B鍵、C?S鍵，使該氣凝膠電極呈原子橋接層狀多孔結(jié)構(gòu)，且氣凝膠電極的質(zhì)量比電容最大可達(dá)450F·g^?1；制備方法包括：1)電極基體的清洗；2)石墨烯水凝膠的制備；3)石墨烯水凝膠的透析；4)石墨烯氣凝膠的制備；5)石墨烯氣凝膠電極的制備。本發(fā)明的復(fù)合石墨烯氣凝膠電極具有高的電化學(xué)活性，另外，由于石墨烯多孔結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的恢復(fù)彈性，因此該石墨烯氣凝膠具有高的力學(xué)穩(wěn)定性。該石墨烯氣凝膠電極用于超級電容器集流體時，在2A·g^?1的電流密度下，其質(zhì)量比電容可達(dá)450F·g^?1，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復(fù)合石墨烯氣凝膠電極、其制備方法及應(yīng)用，屬于電子材料器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超級電容器(SC)，又叫做電化學(xué)電容器，是一種介于傳統(tǒng)電容器與化學(xué)電源之間的新型儲能器件，與傳統(tǒng)電容器相比具有更高比電容量和能量密度，與電池相比則具有更高的功率密度。其具有充電時間短、循環(huán)壽命長、適用溫度范圍寬等優(yōu)勢，可以應(yīng)用在儲能裝置、動力電源系統(tǒng)以及電子設(shè)備上。根據(jù)電荷存儲機(jī)制及電極材料的不同，SC常用類型有：電化學(xué)雙電層電容器和贗電容電容器。雙電層超級電容器是目前應(yīng)用最為廣泛的超級電容器，主要是通過在電解液與電極材料表面間形成雙電層來儲存能量。石墨烯是一種由sp²雜化的碳原子組成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維平面材料，其基本結(jié)構(gòu)單元為六元環(huán)，是一種理想的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)晶體，并且石墨烯的結(jié)構(gòu)單元還可以構(gòu)成其它碳材料。石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，因此具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，除了具有質(zhì)量密度較低、硬度很大的優(yōu)點(diǎn)，還具有優(yōu)異的熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)等，在多個領(lǐng)域的應(yīng)用前景很大。

石墨烯氣凝膠是三維石墨烯材料的一種，其制備方法主要有水熱自組裝法和還原劑組裝法等。為了進(jìn)一步提高石墨烯的電容性能，Ting-Ting Lin[Electrochimica Acta178(2015)517–524]等人利用尿素作為氮源，以氧化石墨烯和碳納米管作為原材料，將三者按一定比例混合后，再經(jīng)高溫退火、自然冷卻后制備出了氮摻雜石墨烯碳納米管復(fù)合氣凝膠，該復(fù)合氣凝膠作為超級電容器的電極材料，質(zhì)量比電容能夠達(dá)到246.6F·g^-1。這種碳納米管類材料的價格較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，其應(yīng)用受到了一定限制。另有Zhu-Yin Su等人[ACSAppl.Mater.Interfaces 2015，7，1431-1438]通過氮摻雜石墨烯的方法制備氣凝膠電極，將氨水與石墨烯按一定比例混合后加入到高溫反應(yīng)釜中退火得到水凝膠，再經(jīng)冷凍干燥后得到氮摻雜石墨烯氣凝膠，增強(qiáng)了電容器的性能，在0.2F·g^-1的電流密度下質(zhì)量比電容也只能達(dá)到223F·g^-1。以上兩種制備的石墨烯氣凝膠均是單一雜原子摻雜,所得復(fù)合材料仍然具有摻雜比例不夠高,比表面積較小,單一原子帶來的誘導(dǎo)效應(yīng)較差，性能不高等不足。

另有中國專利“一種三維氮硼共摻雜石墨烯氣凝膠的制備”(公開號CN 106829929A)，利用氧化石墨烯為基底，以多羥基氮化硼為氮源和硼源，通過溶劑熱法制備具有三維結(jié)構(gòu)的氮硼共摻雜石墨烯水凝膠，再經(jīng)冷凍干燥即得復(fù)合氣凝膠。其中采用了原子置換制備多羥基氮化硼的方法較為復(fù)雜，且該氣凝膠未應(yīng)用于超級電容器。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種復(fù)合石墨烯氣凝膠電極，通過在石墨烯結(jié)構(gòu)中摻雜氮、硼、硫三種元素，使復(fù)合材料表現(xiàn)出更大的比表面積，原子橋接的孔道結(jié)構(gòu)，極大的提高了石墨烯氣凝膠的性能。

本發(fā)明還同時提供了上述復(fù)合石墨烯氣凝膠電極的制備方法及應(yīng)用。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的一種復(fù)合石墨烯氣凝膠電極，所述氣凝膠中摻雜有氮、硼、硫中的至少兩種元素，通過在石墨烯結(jié)構(gòu)中形成C-B鍵、N-B鍵、C-S鍵，使該氣凝膠電極呈原子橋接層狀多孔結(jié)構(gòu)，且所述氣凝膠電極的質(zhì)量比電容最大可達(dá)450F·g^-1。