[发明专利]一种超级电容器用三维多孔石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学处理制备石墨烯材料的方法，属于能源材料石墨烯制备技术领域。

背景技术

超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器、电化学电容器，由集流体（currentcollector）负载电极活性材料构成的电极（Electrode），电解液（Electrolyte），隔膜（Separator）组成。超级电容器主要在电极与电解质界面形成异性电荷对峙的双电层进行能量储存，其功率密度和能量密度介于二次电池与传统物理电容器之间。由于超级电容器在充放电过程中不发生电化学反应，循环寿命可达十万次，并且在大电流充放下性能优良。超级电容器具有较小的内阻，并能够实现高倍率的充放，已经成为一种理想的新型能量储存器件，应用到电动车，手机电池等动力产品领域。目前超级电容器的电极材料主要为比表面较大，较好的电解液浸润性，良好导电性以及较低内阻的碳基材料。现在使用的碳基材料有活性炭，活性炭纤维，炭气凝胶以及碳纳米管等，但上述的碳基材料由于达到的比容量不理想，或制备生产过程程序复杂，成本高，而限制了其在超级电容器中的应用。

石墨烯（Graphene）是一种单层碳原子经过sp²杂化紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格碳基新材料，厚度仅有0.335nm，自2004年由曼侧斯特大学科学家发现[Science，306(2004):666]以来，石墨烯已经得到了科学界和工业界广泛关注。石墨烯独特的二维结构，使其具有优异的电学性能，优良的化学稳定性和热力学稳定性，以及物理性能和机械性能，已经在传感器件、光电、能源材料方面得到了广泛研究和应用。尤其是石墨烯的高电导率（64mS/cm）和高理论比表面（2675m²/g）的特点，石墨烯已被认为是一种理想的超级电容器碳基材料。为了进一步提高石墨烯基超级电容器的能量密度，石墨烯已通过各种方法得到改善来提高其双电层比容量。

目前石墨烯的制备方法包括机械剥离法，化学剥离法，化学合成法，催化生长法以及电化学剥离法等，其中化学剥离法更适合用于大规模生产过程而得到广泛应用。化学剥离法是在强酸、强氧化的条件下，将石墨氧化、分散后得到层状氧化石墨烯，再将其通过化学还原、电化学还原、高温加热、微波辐射等方法将其还原得到石墨烯。但上述各种方法得到的石墨烯比表面大小和表面结构均不理想，制约了其进一步的发展。Ruoff等[Science，332(2011)1537]将氧化石墨烯首先进行了微波处理，与强碱混合并过滤干燥后再进行高温作用，得到了具有超大比表面积（3100m²/g）和高电导率（500S/m）的活化微波氧化石墨烯。该石墨烯材料用作超级电容器电极，在有机体系电解液和离子液体电解液中均产生了较高的比容量和能量密度。活化后的石墨烯具有三维连续的多孔表面结构，可有效提高石墨烯的表面结构和表面活性，将能够进一步加快石墨烯在储能领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过简便的化学处理方法，制备一种可用于超级电容器中的三维多孔石墨烯电极材料。

一种超级电容器用三维多孔石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

1）将氧化石墨烯分散在强碱水溶液中得到分散液；将分散液经过40~80℃的预烘处理后得到表面湿润的浆料，继续在真空或惰性气体或还原性气体氛围中，在120~1200℃加热1~20h；

2）将步骤1）中的固体产物溶解后进行中和，然后将中和后的液体进行洗涤、过滤后干燥；产物最后通过还原得到三维多孔石墨烯。

步骤1）的具体过程为：将氧化石墨烯分散在浓度为1~18mol/L的强碱水溶液中，分散液中强碱与氧化石墨烯的质量比为1~100：1。

步骤1）中所述的强碱为氢氧化铷，氢氧化钾，氢氧化钠，氢氧化锂，氢氧化钙中的一种或几种。

步骤1）中的分散液需要通过超声分散1-3小时。

步骤1）所述的惰性气体为氩气，氮气或两者的混合气，还原性气体为氢气、一氧化碳或两者的混合气。

步骤1）所述的预烘方式为鼓风干燥，微波加热，真空干燥中的一种。

步骤2）中的固体产物用去离子水溶解后，稀酸中和至pH为6~8。

所述的稀酸为稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸。

步骤2）中所述的干燥的温度范围是40~80℃。

步骤2）中通过水合肼化学还原，或通过惰性气体高温还原，或通过还原性气体高温还原。