[发明专利]石墨烯/碳球复合材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种石墨烯/碳球复合材料；本发明同时还涉及该石墨烯/碳球复合材料的制备及其在制备超级电容器电极中的应用。

背景技术

随着生活水平日益提高，环境污染和能源短缺的危机引起了人们极大地关注。超级电容器又称电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。它比传统电容器具有更高的比电容和能量密度，比电池具有更高的功率密度，可瞬间释放特大电流，具有充电时间短、充电效率高、循环使用寿命长、无记忆效应以及基本无需维护等特点，其应用前景非常广阔。众所周知，电极材料是超级电容器技术发展的核心，用作超级电容器电极材料的物质应具有适当的热力学稳定性，以及良好的电子、离子导电性，并且在商业应用中要求其成本低且重量轻。碳材料以其廉价易得、质量小比表面积大、导电性好、种类多的特点，在电极材料的应用方面一直是人们关注的热点。

石墨烯是由一层密集的包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体碳材料，可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。与碳纳米管相比，石墨烯具有更为优异的性质，例如，良好的导电性 （10³–10⁴ S/m）、超大的比表面积 （2630 m²/g）、化学性质稳定以及可加工性等，这使得其成为比碳纳米管更好的电化学新能源转化与储存的电极材料。但在实际应用中，范德华力的作用使其容易团聚或重新堆垛而造成实际比电容不高的结果。石墨烯基复合材料则有效的克服了石墨烯的这个难题，由于正的协同作用使得复合材料中的其它成分有效的阻止了石墨烯的团聚，从而使得石墨烯的双电层电容得以很好的展示，有效的提高了整个材料的比电容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/碳球复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种石墨烯/碳球复合材料的制备方法。

本发明还有一个目的，就是提供一种该石墨烯/碳球复合材料在制备超级电容器电极的应用。

（一）石墨烯/碳球复合材料的制备

本发明石墨烯/碳球复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）氧化石墨烯前驱体分散液的制备：将氧化石墨超声分散于蒸馏水中，形成浓度0.2~0.4mg/ml的氧化石墨烯前驱体分散液； 

（2）碳球的制备：将葡萄糖溶解于蒸馏水中，形成浓度为0.4~0.6mol/L的葡萄糖溶液，再将葡萄糖溶液移至高压反应釜中，于160~180℃下水热处理4~7h；抽滤，用乙醇、蒸馏水反复洗涤，干燥，得到碳球；

（3）碳球分散液的制备：将上述碳球研磨成粉末后超声分散于蒸馏水中，形成浓度为0.1~0.2mg/ml的碳球分散液；

（4）石墨烯/碳球复合材料的制备：在上述氧化石墨烯前驱体分散液中先加入水合肼，强烈搅拌下再加入碳球分散液，混合均匀后调pH=9~10；加入混合体系体积7~10%的甲苯，于80~90℃回流5~7h；除去甲苯后将所得产物过滤，用蒸馏水和乙醇反复洗涤，干燥，得到石墨烯/碳球复合材料。

所述氧化石墨烯前驱体分散液中水合肼的加入量为：氧化石墨质量与水合肼的体积比为100mg:1.5ml~100mg:3ml，所述氧化石墨烯前驱体分散液与碳球分散液的体积比为3:1~4:1。

下面通过场发射扫描电镜、红外谱图对本发明制备的石墨烯/碳球复合材料的结构进行说明。

图1为本发明的石墨烯的场发射扫描电镜（SEM）图片。从图1可以看出，石墨烯呈现卷曲缠绕的薄纱状。图2为本发明制备的碳球的场发射扫描电镜（SEM）图片。从图2可以看出，碳球是直径约为220nm的大小均匀的小球。图3为本发明石墨烯/碳球复合材料的场发射扫描电镜（SEM）图片，从图3可以看出，石墨烯/碳球复合材料的整体结构为层状，具体表现为薄纱状的石墨烯层间夹杂着碳球，碳球在其中有效的阻碍了石墨烯的团聚并为电解质离子与石墨烯表面接触提供了有利的通道从而便于石墨烯表现出良好的双电层电容；再者，在石墨烯的作用下，碳球纳米粒子很好的分散，也有利于其为复合材料贡献一定的电容。