[发明专利]石墨烯基水凝胶、其制备方法以及以其作为活性物质的超级电容器电极的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料、其制备方法以及由其组装而成的超级电容器。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化碳原子按照六方密排结构组成的单原子层碳薄膜二维材料，由于具备优良的导电性能，突出的导热性能，良好的化学稳定性，优异的力学性能，以及高的理论比表面积(2630m²/g)，成为储能、催化、传感、电子、复合材料等领域的研究热点，具有广阔的应用前景。但是，由于石墨烯片层之间存在强的范德华作用力，在石墨烯的制备和使用过程中极易发生石墨烯纳米片的再堆叠，紧密的片层堆叠使得片层间的表面不能得到有效利用，实际比表面积远远低于预期的理论值(2630m²/g)，严重阻碍了石墨烯的应用。为了解决石墨烯片再堆叠的问题，一种技术方案是将石墨烯制备成水凝胶的形式，大量存在的水分在石墨烯纳米片间形成有效间隔，维持了石墨烯片之间的分离，保证了水溶液对石墨烯片层表面的接触。

Dan Li等(X. Yang et al.，Adv.Mater.，2011，23(25)：2833-2838；X. Yang et al.，Angew.Chem.Int.Ed.，2011，50(32)：7325-7328.)采用水合肼作为还原剂，通过真空抽滤的方法制备了石墨烯水凝胶；公开号为CN101941693A的中国专利公开了采用水合肼、硼氢化钠、氢化铝锂、甲醛、糖类化合物、抗坏血酸、氨基酸作为还原剂，通过静置处理的方法制备出石墨烯水凝胶的方法。该方法中采用的还原剂水合肼、硼氢化钠具有毒性，而且真空抽滤、静置处理过程漫长，操作工艺比较复杂，因此本领域迫切需要解决的技术问题是选择新型还原剂，改进工艺条件，简化制备过程。

发明内容

本发明是要解决现有的石墨烯水凝胶制备方法所利用的还原剂具有毒性且操作复杂的技术问题，从而提供石墨烯基水凝胶、其制备方法以及以其作为活性物质的超级电容器电极的制备方法和应用。

本发明的石墨烯基水凝胶是由石墨烯形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90％～99.5％。

上述的石墨烯基水凝胶的制备方法按以下步骤进行：

一、称取石墨与还原剂；其中石墨与还原剂的质量比为1∶(1～1000)；还原剂为KOH、NaOH、LiOH和氨水中的一种或其中几种的组合；

二、将步骤一称取的石墨氧化成为氧化石墨；

三、按氧化石墨的浓度为0.01mg/mL～50mg/mL，将步骤二得到的氧化石墨加入水中，超声剥离、分散，得到氧化石墨烯水分散液；

四、将步骤三得到的氧化石墨烯水分散液在温度为4℃～100℃的条件下，加入还原剂，在频率为20～100KHz、功率为40～1000W的超声条件下还原0.2h～6h，得到石墨烯胶体分散液；

五、将步骤四得到的石墨烯胶体分散液减压旋转蒸发或旋转离心处理至含水量为90％～99.5％的凝胶从石墨烯胶体分散液中析出，然后再对凝胶进行渗析或真空抽滤水洗，得到石墨烯基水凝胶。

不同的还原剂还原程度不同，所制得的石墨烯表面含氧官能团种类、含量也不相同，由此获得的石墨烯水凝胶在结构、性质上存在差异。本发明采用的还原剂为KOH、NaOH、LiOH和氨水中的一种或其中几种的组合，所得石墨烯表面存在较多的含氧官能团，作为超级电容器电极的活性物质时含氧官能团发生准可逆的氧化还原反应，从而提供较大的赝电容电流，可提高比电容值。

本发明的石墨烯基水凝胶还可以是由石墨烯和非石墨碳材料形成的复合水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90％～99.5％；非石墨碳材料为碳纳米管、炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米颗粒和活性炭中的一种或其中几种的组合；非石墨碳材料与石墨烯的质量比为(0.01～20)∶1。

上述的石墨烯基水凝胶的制备方法按以下步骤进行：

一、按石墨、非石墨碳材料与还原剂的质量比为1∶(0.01～20)∶(1～1000)的比例分别称取石墨、非石墨碳材料和还原剂，其中非石墨碳材料为碳纳米管、炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米颗粒和活性炭中的一种或其中几种的组合；还原剂为KOH、NaOH、LiOH和氨水中的一种或其中几种的组合；

二、将步骤一称取的石墨氧化成为氧化石墨；