[发明专利]一种碳包覆石墨烯、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料的制备及应用领域，涉及一种碳包覆石墨烯、制备方法及其应用，所述碳包覆石墨烯的制备方法为一种糖类物质溶解并均匀包覆在石墨烯表面制备具有高比表面积、高质量比电容和高体积比电容的石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是碳原子按照六角排列而成的二维晶格结构。自2004年被曼彻斯特大学的科学家发现之后，它在力学、热学、电学、光学等方面的优异性能，就成为科学界和工业界关注的焦点，特别是在系能源领域的研究热点。石墨烯具有超大的比表面积、优异的导电和较高的电子迁移率，低得热膨胀系数，以及良好的化学稳定性，被认为是超级电容器最理想的电极材料。

超级电容器是是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，广泛应用于各种能源领域。超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，使得石墨烯作为超级电容器电极材料具有其他多孔碳材料更优异的性质。但是单一的石墨烯用作电极材料，受到诸多因素的限制，如片层之间容易团聚，导致不可逆容量的损失的提高，并降低了其作为电极材料的导电率。另一方面由于纳米材料一般具有大的比表面积、小的尺寸效应，虽然可以提高电容器的质量比电容量，但由于其堆积密度较小，相对的体积比电容和能量密度都较低。

由此，对于高比表面积的石墨烯来说，堆积密度的大小对石墨烯超级电容器的电学、化学等方面性能有着重要的影响，如何开发出一种成本较低，体积比电容和能量密度高，循环性能好的石墨烯的制备方法，是本领域的一个亟待解决的问题。

发明内容

现有技术中，由于石墨烯自身的性质决定，无论化学氧化还原法还是CVD法，所制备的石墨烯的单位体积质量（堆积密度）都很小，本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种提高石墨烯体积比电容的方法。针对石墨烯体积比电容小，无法应用于大容量的超级电容器等电学器件的问题，本发明提出一种高体积比电容的石墨烯，以期能够有效解决该问题。

本发明的目的之一在于提供碳包覆石墨烯及其制备方法，所述碳包覆石墨烯的密度较大，体积比电容高，同时循环性能较好。

本发明的目的之一的第一方面是通过如下技术方案实现的：

本发明所述碳包覆石墨烯的制备方法为：将糖类物质与氧化石墨烯充分混合后，加入活化剂，经干燥后进行活化，得到碳包覆石墨烯。

所述石墨烯通过糖类物质溶解并在其表面进行均匀包覆，在不改变石墨烯性质的前提下，有效增大石墨烯的密度。

本发明通过糖类物质溶解在石墨烯表面进行均匀包覆，可以有效地增加石墨烯的密度，提高石墨烯的体积比电容。本发明为提高石墨烯的体积比电容提出了一种新的解决思路，为进一步提高超级电容等电器元件的电容提供了条件。本发明提供的石墨烯具有比表面积大、质量比电容和体积比电容高，循环性能稳定的特点。

优选地，所述糖类物质选自蔗糖、葡萄糖、果糖、核糖或壳聚糖中的任意1种或至少2种的组合，优选为蔗糖；所述组合例如蔗糖/葡萄糖的组合、果糖/壳聚糖的组合、蔗糖/葡萄糖/壳聚糖的组合等，优选蔗糖。

本发明向通过糖类物质溶解并在石墨烯表面均匀包覆，并在高温下条件下活化还原，得到高比表面积的碳包覆的石墨烯，从而使得所制备的石墨烯材料的体积比电容量得到很大提高，使得相关的能量密度也大幅提高。

本发明所述糖类物质的添加量为氧化石墨烯质量的0.01～1倍,例如0.01倍、0.02倍、0.03倍、0.2倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、1倍等。

本发明所述糖类物质的添加量过多，包覆层较厚，使得石墨烯不能够充分还原，影响高体积比电容石墨烯的质量比电容和比表面积；而糖类物质的添加量过小，石墨烯的密度不能有效提高。

本发明所述活化剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾或碳酸钠中的任意1种或至少2种的组合，优选为氢氧化钾，所述组合例如氢氧化钾/氢氧化钠的组合、碳酸钾/氢氧化钠的组合、氢氧化钠/氢氧化钾/碳酸钠的组合等。

本发明所述的活化剂的作用是在石墨烯片层上反应得到孔，来增大石墨烯的比表面积。

优选地，所述活化剂的添加质量为氧化石墨烯质量的1～12倍，例如2倍、4倍、7倍、10倍、11倍、12倍等，优选1～10倍，进一步优选1～6倍。

本发明所述活化剂的添加量过多，容易造成石墨烯的过渡腐蚀，片层损坏严重，导电性变差；添加量过少，石墨烯上孔的数目较少，影响石墨烯的比表面积。