專利名稱：高電化學容量氧化石墨烯及其低溫制備方法和應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高電化學容量氧化石墨烯及其低溫制備方法和應用，屬于新型電極材 料技術(shù)。
背景技術(shù)：
石墨烯是近年發(fā)現(xiàn)的二維碳原子品體，是一種單層或多層極薄的石墨材料，它是目前 碳質(zhì)材料和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點之一。石墨烯是構(gòu)筑零維富勒烯、 一維碳納米管、 三維體相石墨等S/雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元。石墨烯具有很多奇特的性質(zhì)。石墨烯是一種 沒有能隙的物質(zhì)，顯示金屬性；單層的石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的電子，因 此具有非常好的導電性；石墨烯中的空穴和電子相互分離，導致了新的電子傳導現(xiàn)象的產(chǎn) 生，例如不規(guī)則的量子霍爾效應。石墨烯具有非常廣闊的應用前景，它的奇特性質(zhì)提供了 良好的物理實驗平臺，還是制造納米電子器件——高頻晶體管和單電子晶體管的最佳材 料，在顯微濾網(wǎng)和超導方面也有很廣闊的應用前景。另外，基于石墨烯的石墨烯納米聚合 物也是一種重要的功能性材料。
現(xiàn)有的氧化石墨烯制備方法主要是高溫快速膨脹法，其主要過程是以氧化石墨為原 料，通過快速升溫到1000 °C，在保護氣的存在下，使氧化石墨的片層相互分離，得到具 有一定比表面積的新型炭材料，但至今還沒有利用氧化石墨烯作為超級電容器電極材料的 報道。普通的石墨及膨脹石墨的比表面積都在20m"g以下，其作為電極材料的電化學比 容量一般都在20 80 F/g。 Schniej)p等人將裝有氧化石墨的石英管放入100(TC以上的環(huán)境 中停留30s，實現(xiàn)樣品的快速升溫，得到比表面為700 1500m g的氧化石墨烯。McAllister 等人認為，要實現(xiàn)氧化石墨片層的互相剝離，其最低溫度要在55(TC以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高電化學容量氧化石墨烯及其低溫制備方法和應用。該材 料具有良好的電化學性能，其制備過程簡單，應用前景廣泛。
本發(fā)明中是通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的， 一種高電化學容量氧化石墨烯，其特征在 于，該氧化石墨烯片層厚度為0.35 20 nm，比表面積為200 800 m2/g，電化學比容量達 到50 220 F/g。
上述高電化學容量氧化石墨烯的制備方法，其特征在于包括以下過程
在真空度0.01 Pa 10kPa下，將氧化石墨以5 50 °C/min的升溫速率升溫到150 600 。C進行高真空熱處理，維持恒溫0.5 20h，氧化石墨體積迅速膨脹，得到比表面積200 800 m2/g，電化學比容量50 220 F/g的氧化石墨烯材料。
以上述方法制備的上述材料用于制作超級電容器的電極。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點制備過程簡單，制備溫度低，且易于操作，能量消耗低，所制 得的氧化石墨烯比表面積可達200 800 m2/g，電化學比容量50 220 F/g，該材料可用于制 備大容量超級電容器的電極。


圖1為本發(fā)明實例2制得的氧化石墨烯材料的SEM圖片。
具體實施例方式
實施例1
將2 g石墨粉和1 g硝酸鈉與46 mL的濃硫酸(質(zhì)量濃度98%)均勻混合，在冰水浴 條件下攪拌，緩慢加入6 g KMn04，反應2 h，然后將其轉(zhuǎn)移至35 'C恒溫水浴，反應30 min。 逐歩加入92mL去離子水，溫度升至98 'C繼續(xù)反應3 h后，從水浴中取出，進一歩加去 離子水稀釋，并用20mL質(zhì)量濃度30%^1202溶液處理，中和未反應的高錳酸。趁熱離心 過濾并反復用去離子水洗滌濾餅，5(TC真空干燥48h，得到氧化石墨。
將干燥后的氧化石墨裝入樣品管中，開始抽真空，真空度為10Pa，同時開始加熱， 升溫速率20 tVmin，升溫至200'C，維持10 h，得到氧化石墨烯。利用氮氣吸附測定所 得氧化石墨烯的比表面積，吸附溫度為液氮溫度(77 K)，測得的比表面積為300m々g。
利用KOH為電解液的三電極體系測試其電化學比容量。將泡沫鎳切割成方形電極片， 在12(TC下干燥12h后稱重。取氧化石墨烯3mg，在IO(TC下真空干燥5 h，使其脫氣， 然后滴入0.3mg聚四氟乙烯乳液，加入5mL乙醇，超聲分散20min，得到分散液。然后 用滴管將上述分散液滴加在泡沫鎳電極片上，將分散液滴完的電極片在100 。C下千燥12 h，稱重后減去原來泡沫鎳電極的重量，計算有效的氧化石墨烯質(zhì)量，將做好的電極片在 KOH溶液中浸泡12 h后測定其電容性能。在充放電電流100 mA/g下的電化學比容量為 182 F/g。
將氧化石墨在高純氮氣保護下于800 。C熱處理制得的氧化石墨烯的電化學比容量只 有40F/g，明顯低于本發(fā)明。 實施例2
將10 g石墨粉和5 g硝酸鈉與230 mL的濃硫酸(質(zhì)量分數(shù)98%)均勻混合，在冰水 浴條件下攪拌，緩慢加入30 g KMn04，反應2 h，然后將其轉(zhuǎn)移至35 。C水浴反應30 min。 逐歩加入460 mL去離子水，溫度升至98 'C繼續(xù)反應40min后，從水浴中取出進一歩加 去離子水稀釋，并用20mL質(zhì)量分數(shù)30%11202溶液處理，中和未反應的高錳酸。趁熱離 心過濾并反復用去離子水洗滌濾餅，5(TC真空干燥48h，得到氧化石墨。
將干燥后的氧化石墨裝入樣品管中，開始抽真空，真空度為200Pa，同時開始加熱， 升溫速率10。C/min，升溫至200。C，維持8h，得到氧化石墨烯。利用氮氣吸附測定所得 的樣品的比表面，吸附溫度為液氮溫度(77K),測得的比表面積為220m々g。
利用鈕扣式電容器測試其電化學比容量，電解液為KOH。鈕扣式電容器電極的制備 包括如下過程取兩個大小合適的圓形泡沫鎳電極片，在120 'C下干燥12h后分別稱重。 取氧化石墨烯材料5mg，在10(TC下真空干燥5h，使其脫氣，然后滴入0.5mg聚四氟乙 烯乳液，加入5mL乙醇，超聲分散20min，得到分散液。將分散后的溶液放入真空干燥 箱中干燥12h，將干燥后的粉末取出，分成相等的兩份，分別對應兩個泡沫鎳電極片，壓 片，將壓好的電極片在真空干燥箱中干燥12h，然后分別稱量兩個電極片的質(zhì)量，減去原 來兩個泡沬鎳電極片的質(zhì)量，計算有效的氧化石墨烯質(zhì)量，然后裝配鈕扣式電容器，利用 電池測試儀測定鈕扣式電容器的電容性能，在100mA/g的充放電電流下比電容可達到160 F/g。
現(xiàn)有的某種比表面積1500 2000 m2/g的商用活性炭以同樣方法測試，充放電電流100 mA/g下的電化學比容量為90 130 F/g,本實施例所制得的比表面積只有220 m2/g的氧化 石墨烯的電化學容量高于此商用活性炭。
實施例3
將4 g石墨粉和2 g硝酸鈉與92 mL的濃硫酸(質(zhì)量分數(shù)98%)均勻混合，在冰水浴 條件下攪拌，緩慢加入12gKMn04，反應2h，然后將其轉(zhuǎn)移至35。C水浴反應30 min。逐 歩加入184mL去離子水，溫度升至98。C繼續(xù)反應3h后，從水浴中取出進一歩加去離子 水水稀釋，并用20mL質(zhì)量分數(shù)30。/。H2O2溶液處理，中和未反應的高錳酸。趁熱離心過 濾并反復用去離子水洗滌濾餅，5(TC真空干燥48h，得到氧化石墨。
將干燥后的氧化石墨裝入樣品管中，開始抽真空，真空度為100Pa，同時開始加熱， 升溫速率10 °C/min，升溫至300'C，維持15 h,得到氧化石墨烯。利用氮氣吸附測定所 得的樣品的比表面積，吸附溫度為液氮溫度(77K)，測得的比表面為335 m"g。
利用KOH為電解液的三電極體系測試其電化學比容量。將泡沫鎳切割成方形電極片， 在120 'C下干燥12 h后稱重。取氧化石墨烯材料4 mg，在IO(TC下真空干燥5 h，使其脫 氣，然后滴入0.4mg聚四氟乙烯乳液，加入5mL乙醇，超聲分散20min，得到分散液。 然后用滴管將上述分散液滴加在泡沫鎳電極片上，然后將滴完的電極片在100 "C下干燥 12 h，稱重后減去原來泡沫鎳電極的重量，計算有效的氧化石墨烯質(zhì)量，將做好的電極片 在KOH溶液中浸泡12 h后測定其電容性能，在充放電電流100 mA/g下的比電容為145 F/g。
本實施例所制備的氧化石墨以同樣方法測試，在充放電電流100 mA/g下的電化學比 容量為39F/g，明顯低于本實施例所制得的氧化石墨烯。 實施例4
將5 g石墨粉和2.5 g硝酸鈉與115 mL的濃硫酸(質(zhì)量分數(shù)98%)均勻混合，在冰水 浴條件下攪拌，緩慢加入15gKMn04，反應2h，然后將其轉(zhuǎn)移至35 。C水浴反應30 rnin。 逐步加入230mL去離子水，溫度升至98 。C繼續(xù)反應2h后，從水浴中取出進一步加去離 子水稀釋，并用20mL質(zhì)量分數(shù)30y。H2O2溶液處理，中和未反應的高錳酸。趁熱離心過 濾并反復用去離子水洗滌濾餅，5(TC真空千燥48h，得到氧化石墨。
將干燥后的氧化石墨裝入樣品管中，丌始抽真空，真空度為l kPa，同時開始加熱， 升溫速率30 'C/min,升溫至600"C，維持18 h，得到氧化石墨烯。利用氮氣吸附測定所 得氧化石墨烯的比表面積，吸附溫度為液氮溫度(77 K)，測得的比表面積為620m々g。
利用KOH為電解液的三電極體系測試其電化學比容量。將泡沫鎳切割成方形電極片， 在120'C下干燥12h后稱重。取氧化石墨烯3mg，在10(TC下真空干燥5h,使其脫氣， 然后滴入0.3mg聚四氟乙烯乳液，加入5mL乙醇，超聲分散20min，得到分散溶液。然 后用滴管將上述分散液滴加在泡沫鎳電極片上，然后將滴完的電極片在100 'C下干燥12 h,稱重后減去原來泡沫鎳電極的重量，計算有效的氧化石墨烯質(zhì)量，將做好的電極片在 KOH溶液中浸泡12 h后測定其電容性能，在100 mA/g的充放電電流下的電化學比容量為 68 F/g。
權(quán)利要求
1.一種高電化學容量氧化石墨烯，其特征在于，該氧化石墨烯片層厚度為0.35～20nm，比表面積為200～800m2/g，電化學比容量達到50～220F/g。
2. —種制備權(quán)利要求1所述的高電化學容量氧化石墨烯的方法，其特征在于 包括以下過程在真空度0.01 Pa 10 kPa下，將氧化石墨以5 50 'C/min的升 溫速率升溫到150 600'C進行高真空熱處理，維持恒溫0.5 20h，氧化石墨體 積迅速膨脹，得到氧化石墨烯材料。
3. 按權(quán)利要求1所述的高電化學容量氧化石墨烯或按權(quán)利要求2所述的制備 方法所制得的氧化石墨烯，用于制作超級電容器的電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高電化學容量氧化石墨烯及其低溫制備方法和應用。所述的氧化石墨烯，該氧化石墨烯片層厚度為0.35～20nm，比表面積為200～800m²/g，電化學比容量達到50～220F/g。其制備方法將氧化石墨在高真空下以一定升溫速率升溫至150～600℃，維持恒溫0.5～20h，得到氧化石墨烯。該材料用于超級電容器電極材料。本發(fā)明具有如下優(yōu)點制備過程簡單，制備溫度低，且易于操作，能量消耗低。
文檔編號C01B31/00GK101367516SQ20081015180
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者偉 呂, 輝 孫, 楊全紅 申請人:天津大學