一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。石墨烯片在石墨烯水凝膠膜電極中呈取向排列，所有石墨烯片均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5μm的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為100nm到1000μm，含水量為0%到500%，導(dǎo)電率為10-9S/m到107S/m，比表面積為10-1000m2/g；具體制備方法為：將氧化石墨烯的水分散液從一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，凝固成氧化石墨烯水凝膠膜，對其進(jìn)行還原得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。本發(fā)明的電極導(dǎo)電性高、比表面積大、柔韌性好，應(yīng)用到超級電容器或電池領(lǐng)域會(huì)有優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)。
【專利說明】一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯水凝膠膜電極，尤其涉及一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一層由碳原子以Sp2雜化相連接而形成的二維材料。從2004年被英國的 A.K.Geim (K.S.Novoselov, et al.Science, 2004, 306, 666-669)發(fā)現(xiàn)至今已引起科學(xué)和工業(yè)界廣泛的關(guān)注。迄今為止，將石墨烯應(yīng)用于電極材料領(lǐng)域主要分兩種情況。第一種是將石墨烯作為導(dǎo)電填料添加到電極材料中，第二種是在不使用粘結(jié)劑的情況下直接將石墨烯片組裝成宏觀的石墨烯電極材料。在將石墨烯片組裝成宏觀材料時(shí)，石墨烯片之間的排列雜亂無章，電解液離子就無法擴(kuò)散到電極材料的內(nèi)部，就不能獲得較大的能量存儲(chǔ)。而石墨烯片之間如果取向排列，電解液離子就可充分浸潤到電極材料的內(nèi)部，從而獲得更大的能量存儲(chǔ)。因此，如何快速高效的得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極就顯得至關(guān)重要。2011年浙江大學(xué)的高超教授成功的利用氧化石墨烯的液晶相行為，石墨烯紡成纖維(Z.Xu, C.Gao, Nat.Comms., 2011, 2, 571),從而為石墨烯的材料制備開拓了一條新途徑。因此，在這里我們首次利用氧化石墨烯的液晶相行為，將其連續(xù)化的紡成具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。所得到的具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極具有高導(dǎo)電性、高比表面積等特點(diǎn)，將其用作超級電容器電極，可以獲得高的比電容和能量密度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)不足，提供一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0004]具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極中石墨烯片呈取向排列，且均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5ym的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為10nm到1000 μ m,含水量為0%到500%，導(dǎo)電率為1(T9 S/m到17 S/m,比表面積為1-1OOOmVg ;具體制備方法包括以下步驟:
1)將I重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10?1000mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留I?10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I?200重量份的還原劑，在60?120°C下進(jìn)行化學(xué)還原Imin?24h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極；或?qū)重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250°C水熱還原l_36h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0005]步驟2)中所述的一字形?？诘难b置為長方體結(jié)構(gòu)，中間開有一個(gè)逐漸變窄的一字形?？?。
[0006]步驟2)中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。
[0007]步驟3)中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、Na0H、K0H，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。
[0008]本發(fā)明的電極導(dǎo)電性高、比表面積大、柔韌性好，應(yīng)用到超級電容器或電池領(lǐng)域會(huì)有優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)。制備工藝簡單、能耗低、綠色環(huán)保。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為一字形模口的制備裝置的剖面圖；
圖2為一字形?？诘闹苽溲b置的主視圖；
圖3為一字形?？诘闹苽溲b置的后視圖；
圖4為具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極的掃描電鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0010]具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極中石墨烯片呈取向排列，且均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5ym的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為10nm到1000 μ m,含水量為0%到500%，導(dǎo)電率為1(T9 S/m到17 S/m,比表面積為1-1OOOmVg ;具體制備方法包括以下步驟:
1)將I重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10?1000mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留I?10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I?200重量份的還原劑，在60?120°C下進(jìn)行化學(xué)還原Imin?24h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極；或?qū)重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250°C水熱還原l_36h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0011]步驟2)中所述的一字形?？诘难b置為長方體結(jié)構(gòu)，中間開有一個(gè)逐漸變窄的一字形?？?。
[0012]步驟2)中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。
[0013]步驟3)中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、Na0H、K0H，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。
[0014]如圖1-3所示，一字形模口的制備裝置為長方體結(jié)構(gòu)，中間開有一字形?？冢龅囊蛔中文？跒橐粋€(gè)逐漸變窄的流道。逐漸變窄的流道能有效增加流場對石墨烯片的作用力，有利于石墨烯分散體系規(guī)整取向結(jié)構(gòu)的形成。
[0015]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述，本實(shí)施例只用于對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0016]實(shí)施例1
1)將I重量份的氧化石墨烯，50重量份的水混合，超聲分散后得到20mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以10mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留Is凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I重量份的肼，在95°C下進(jìn)行化學(xué)還原lh，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0017]經(jīng)過以上步驟，具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極導(dǎo)電率為0.2X 17 S/m,比表面積為1000m2/g。
[0018]實(shí)施例2
1)將I重量份的氧化石墨烯，200重量份的水混合，超聲分散后得到5mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以1000mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留Is凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用10重量份的氫碘酸，在95°C下進(jìn)行化學(xué)還原lh，用去離子水浸泡12h后取出，再用去離子水浸泡12h，重復(fù)3次，得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0019]經(jīng)過以上步驟，具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極導(dǎo)電率為0.5X 19 S/m,比表面積為10m2/g。
[0020]實(shí)施例3
1)將I重量份的氧化石墨烯，100重量份的水混合，超聲分散后得到10mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以50mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留1s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中180°C水熱還原24h，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0021]經(jīng)過以上步驟，具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極導(dǎo)電率為0.7X 15 S/m,比表面積為800m2/g。
[0022]實(shí)施例4
1)將I重量份的氧化石墨烯，100重量份的水混合，超聲分散后得到10mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以100mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留5s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用200重量份的抗壞血酸，在100°C下進(jìn)行化學(xué)還原10h，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0023]經(jīng)過以上步驟，具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極導(dǎo)電率為2X107 S/m,比表面積為 100mVg。
[0024]實(shí)施例5
1)將I重量份的氧化石墨烯，100重量份的水混合，超聲分散后得到10mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以10mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用200重量份的NaOH，在100°C下進(jìn)行化學(xué)還原24h，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
[0025]經(jīng)過以上步驟，具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極導(dǎo)電率為2X104 S/m,比表面積為 400m2/g。
【權(quán)利要求】
1.一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于石墨烯片在石墨烯水凝膠膜電極中呈取向排列，所有石墨烯片均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5 μ m的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為10nm到1000 μ m,含水量為0%到500%，導(dǎo)電率為10_9 S/m到17 S/m,比表面積為10_1000m2/g ;具體制備方法包括以下步驟: 1)將I重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液； 2)將步驟I)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10?1000mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留I?10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜； 3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I?200重量份的還原劑，在60?120°C下進(jìn)行化學(xué)還原Imin?24h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極；或?qū)重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250°C水熱還原l_36h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于步驟2)中所述的一字形模口的裝置為長方體結(jié)構(gòu)，中間開有一個(gè)逐漸變窄的一字形?？?。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于步驟2)中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1所述的一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于步驟3)中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、NaOH,Κ0Η，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。
【文檔編號】H01G11/24GK104362002SQ201410487044
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】高超, 寇亮, 劉崢 申請人:浙江碳谷上希材料科技有限公司