一種三維多孔石墨烯、其制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電極材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維多孔石墨烯、其制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能原件，由于其具有充放電速度快、功率密度高、壽命長、免維護(hù)以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。電極材料的性質(zhì)是影響超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵因素。如何提高電容器的電容值和能量密度是人們研究的重點(diǎn)，因此開發(fā)具有優(yōu)異性能的電極材料是超級(jí)電容器研究的核心問題。
[0003]超級(jí)電容器的優(yōu)異電極材料既要求高的導(dǎo)電性，也要求高的電荷存儲(chǔ)能力。金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物為代表的法拉第贗電容電極材料有著來源于表面電化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)秀電容性能，但其導(dǎo)電性相對(duì)較差，且部分材料成本高昂，循環(huán)穩(wěn)定性也不高，上述因素嚴(yán)重制約了金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物在超級(jí)電容器中的推廣應(yīng)用。目前應(yīng)用廣泛的超級(jí)電容器材料主要集中在碳材料上。碳材料具有較好的導(dǎo)電性，穩(wěn)定性，成本低廉以及良好的電荷吸附能量。
[0004]石墨烯理論上具有高比表面積以及優(yōu)良的導(dǎo)電性，因此被認(rèn)為是一種理想的可應(yīng)用于超級(jí)電容器電極的碳材料。然而由于還原之后石墨烯片層之間的范德華力使其重新堆疊，或者解離不夠完全，不利于其電容性能；同時(shí)，超級(jí)電容器除了要求電極材料有巨大的比表面積和良好的導(dǎo)電性外，還對(duì)其孔徑分布有要求。
[0005]聚氨酯海綿的特征是具有連續(xù)多孔的結(jié)構(gòu)，具有耐酸堿腐蝕，氣孔均勻，且可切割成任意形狀大小的優(yōu)點(diǎn)。由此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N三維多孔石墨烯的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種三維多孔石墨烯的制備方法，本申請(qǐng)制備的三維多孔石墨烯作為超級(jí)電容器的電極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
[0007]有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N三維多孔石墨烯的制備方法，包括以下步驟:
[0008]A)，將氧化石墨烯、堿性物質(zhì)與水混合，得到復(fù)合分散液；
[0009]B)，將聚氨酯海綿浸入所述復(fù)合分散液中，將得到的聚氨酯海綿取出后干燥，然后煅燒，得到三維多孔石墨烯。
[0010]優(yōu)選的，所述堿性物質(zhì)選自氫氧化鉀和氫氧化鈉中的一種或兩種。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述復(fù)合分散液中，所述氧化石墨烯的濃度為0.1?10毫克/毫升，所述堿性物質(zhì)的濃度為1?50毫克/毫升。
[0012]優(yōu)選的，所述氧化石墨烯與所述堿性物質(zhì)的質(zhì)量比為50:1?1:50。
[0013]優(yōu)選的，所述煅燒之后還包括:
[0014]將煅燒后的產(chǎn)物清洗后干燥。
[0015]優(yōu)選的，所述煅燒在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行，所述煅燒的溫度為600?1000°C，所述煅燒的時(shí)間為30?600min。
[0016]優(yōu)選的，所述煅燒的升溫速度為1?20°C /min。
[0017]本申請(qǐng)還提供了一種上述方案所述的制備方法所制備的三維多孔石墨烯。
[0018]本申請(qǐng)還提供了一種上述方案所述的制備方法所制備的或上述方案所述的三維多孔石墨烯可作為超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行應(yīng)用。
[0019]本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N三維多孔石墨烯的制備方法，具體為:首先將氧化石墨烯、堿性物質(zhì)與水混合，得到復(fù)合分散液；再將聚氨酯海綿浸入復(fù)合分散液中，使氧化石墨烯與堿性物質(zhì)負(fù)載在聚氨酯海綿上，得到復(fù)合體系；最后將復(fù)合體系進(jìn)行煅燒，得到三維多孔石墨烯。在制備三維多孔石墨烯的過程中，本申請(qǐng)通過堿性物質(zhì)的活化處理使石墨烯的表面充滿了孔洞，并且其和聚氨酯海綿模板協(xié)同作用，得到了高比表面積、高孔隙率的石墨烯；同時(shí)聚氨酯海綿作為模版，為石墨烯提供了一種三維交織的結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)物的堆疊密度。
[0020]由于本身請(qǐng)制備的石墨烯材料具有三維的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，其較大的孔隙提供了離子穿梭的通道，大量的微孔以及介孔提供了充沛的電荷吸附空間，因此本申請(qǐng)制備的石墨烯作為電極材料具有較好的電化學(xué)性能。
【附圖說明】
[0021 ] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的三維石墨烯的電鏡照片；
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例3制備的三維多孔石墨烯的掃描電鏡照片；
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的三維多孔石墨烯作為有機(jī)電解液體系下超級(jí)電容器電極的循環(huán)性能曲線圖；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4制備的三維多孔石墨烯作為有機(jī)電解液體系下超級(jí)電容器電極的循環(huán)伏安性能圖；
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例4制備的三維多孔石墨烯作為有機(jī)電解液體系下超級(jí)電容器電極的倍率性能曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0027]本發(fā)明實(shí)施例公開了一種三維多孔石墨烯的制備方法，包括以下步驟:
[0028]A)，將氧化石墨烯、堿性物質(zhì)與水混合，得到復(fù)合分散液；
[0029]B)，將聚氨酯海綿浸入所述復(fù)合分散液中，將得到的聚氨酯海綿取出后干燥，然后煅燒，得到三維多孔石墨烯。
[0030]本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N三維多孔石墨烯的制備方法，其以氧化石墨烯、聚氨酯海綿與堿性物質(zhì)為原料，通過化學(xué)反應(yīng)，得到了一種三維多孔石墨烯。由于石墨烯的結(jié)構(gòu)使其作為超級(jí)電容器的電極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
[0031 ] 在制備三維多孔石墨烯的過程中，本申請(qǐng)首先將氧化石墨烯、堿性物質(zhì)與水混合，得到復(fù)合分散液。為了使上述原料混合均勻，作為優(yōu)選方案，所述復(fù)合分散液的制備過程具體為:
[0032]將氧化石墨烯與水混合，超聲分散，得到氧化石墨烯分散液；
[0033]將堿性物質(zhì)與水混合，超聲分散，得到堿性物質(zhì)的水溶液；
[0034]在超聲作用下，將所述將堿性物質(zhì)的水溶液與氧化石墨烯分散液混合，得到復(fù)合分散液。
[0035]在上述過程中，所述氧化石墨稀與所述堿性物質(zhì)的質(zhì)量比優(yōu)選為50:1?1:50，在實(shí)施例中，所述氧化石墨稀與所述堿性物質(zhì)的質(zhì)量比優(yōu)選為1:1?1:20 ;本申請(qǐng)所述氧化石墨烯與堿性物質(zhì)的質(zhì)量比對(duì)三維多孔石墨烯的性能影響較大，若氧化石墨烯與堿性物質(zhì)的質(zhì)量比增加，則活化效果越強(qiáng)，造孔效果越顯著，但過高的質(zhì)量比并不利于產(chǎn)品的性能，一則使產(chǎn)率嚴(yán)重變小，同時(shí)比表面積也不會(huì)增大。所述氧化石墨烯的質(zhì)量濃度優(yōu)選為
0.1?10mg/ml，在實(shí)施例中所述氧化石墨稀的質(zhì)量濃度更優(yōu)選為lmg/ml?5mg/ml，若氧化石墨烯的濃度過大，則復(fù)合分散液會(huì)過于黏稠，不利于聚氨酯海綿的吸附。本申請(qǐng)所述氧化石墨稀優(yōu)選按照改進(jìn)的Hummers法制備得到。本申請(qǐng)所述堿性物質(zhì)優(yōu)選為氫氧化鉀和氫氧化鈉中的一種或多種，更優(yōu)選為氫氧化鉀。
[0036]按照本發(fā)明，在制備得到復(fù)合分散劑后，則將聚氨酯海綿浸入所述復(fù)合分散液中，使聚氨酯海綿充分吸附氧化石墨烯和堿性物質(zhì)，再將聚氨酯海綿取出后干燥，使氧化石墨烯和堿性物質(zhì)負(fù)載在聚氨酯海綿上。本申請(qǐng)所述聚氨酯海綿作為模板，其將氧化石墨烯負(fù)載，可以將氧化石墨烯由二維組裝成三維。
[0037]本申請(qǐng)最后將上述得到的聚氨酯海綿進(jìn)行煅燒，使氧化石墨烯與堿性物質(zhì)反應(yīng)，在高溫下，堿性物質(zhì)進(jìn)行活化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化石墨烯的造孔，同時(shí)由于聚氨酯的模板作用，使氧化石墨烯由二維結(jié)構(gòu)組裝成三維結(jié)構(gòu)，從而提高氧化石墨烯的密度和比表面積。本申請(qǐng)所述煅燒在惰性氣氛下進(jìn)行。作為優(yōu)選方案，本申請(qǐng)采用逐漸升溫的方式升溫至煅燒溫度，以利于堿性物質(zhì)的熔化、反應(yīng)。所述逐漸升溫的升溫速度優(yōu)選為1?20°C/min。所述煅燒的溫度優(yōu)選為600?1000°C，所述煅燒的時(shí)間優(yōu)選為30?600min。在煅燒過程中，堿性物質(zhì)以氫氧化鉀為例，所述反應(yīng)的反應(yīng)方程式為:6KOH+2C = 2K+3H2+2K2C03。
[0038]作為優(yōu)選方案，在煅燒之后，本申請(qǐng)最后將煅燒后的產(chǎn)物進(jìn)行清洗、干燥，得到三維多孔石墨稀。
[0039]本申請(qǐng)按照以上方法制備了一種三維多孔石墨烯，由此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N按照上述方法所述的制備方法所制備的三維多孔石墨烯。
[0040]根據(jù)本申請(qǐng)制備的石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以將其作為超級(jí)電容器的電極材料。由此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝松鲜龇桨杆龅闹苽浞椒ㄋ苽涞幕蛏鲜龇桨杆龅娜S多孔石墨烯在超級(jí)電容器材料上的應(yīng)用。
[0041]本申請(qǐng)以聚氨酯海