[发明专利]石墨烯基空心纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域和电化学领域，具体涉及石墨烯基空心纤维及其制备方法。

背景技术

继智能手机之后，穿戴电子逐渐兴起并迅速发展。新一代穿戴电子对电源提出了许多新的要求，比如微型化、柔性化、高能量密度化等等。传统电容器和电池通常体积大，质量重，没有柔韧性已经不能满足穿戴电子设备。新型超级电容器，特别是一维线型电容器，具有体积小质量轻，柔韧性好，可编织等特点，引起了科研工作者们的极大兴趣，被认为是最有望为穿戴的电子设备供电的电源。

然而与传统电容器和电池相比，这种线型电容器的能量密度明显偏低，尚不能满足高能量密度化的要求。电容器的电容虽然通常由双电层真电容和和法拉第赝电容两部分构成，但在体积和质量极小的微型线型电容器中，其电荷储存能力主要依赖双电层上的电荷分离。现有的用作线型电容器电极的电极纤维几乎全部是实心的，仅能依靠纤维外表面储存电荷，所以电容器能量密度较低。

发明内容

[要解决的技术问题]

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种石墨烯基空心纤维及其制备方法。本发明的制备方法无需特殊设备，容易实现规模化生产；并且制备得的石墨烯基空心纤维应用于制备线型超级电容器电极时，得到高能量密度的超级电容器。

[技术方案]

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

本发明利用模具法，在严格密封模具中，并利用较高浓度的石墨烯水溶液时，可以获得中空结构的石墨烯基纤维。用该方法制备的石墨烯基空心纤维作线型超级电容器电极时，电容显著提高，所得面积比电容为目前线型超级电容器领域中最高值。本发明不仅提供一种制备石墨烯基空心纤维的方法，还实现了石墨烯基空心纤维在高能量密度超级电容器领域中的应用。

一种石墨烯基空心纤维的制备方法，它包括以下步骤：

A，前驱液的制备

通过化学法将石墨粉氧化成膨胀的氧化石墨,再将获得的氧化石墨超声分散在去离子水中制备成浓度为5～20mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后加入还原剂，混合均匀后得到所述前驱液；

B，化学还原反应

将步骤A得到的前驱液注入管状模具中并封口，然后在温度为50～100℃的条件下反应2～6h，得到成型纤维；

接着打开管状模具，干燥，得到所述的石墨烯基空心纤维。

本发明更进一步的技术方案，在步骤A中，所述还原剂与氧化石墨烯的质量比为0.2～1:1～1.5；所述还原剂选自维生素C、次磷酸、水合肼或氢碘酸。

本发明更进一步的技术方案，在步骤A中，与还原剂一起加入的还包括导电聚合物和/或有赝电容的无机物。

本发明更进一步的技术方案，在步骤A中，所述导电聚合物与氧化石墨烯的质量比为0～1：1～3；所述导电聚合物选自聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚苯胺、聚对苯、聚吡咯、聚噻吩或聚苯基乙炔。

本发明更进一步的技术方案，在步骤A中，所述有赝电容的无机物与氧化石墨烯的质量比为0～1：1～3；有赝电容的无机物选自四氧化三钴、二氧化锰、氧化钌或氧化镍。

本发明更进一步的技术方案，在步骤B中，所述管状模具是玻璃毛细管、塑料毛细管或金属毛细管。

本发明更进一步的技术方案，在步骤B中，所述干燥是在温度为50～100℃的条件下干燥或者自然晾干。

根据本发明的另一个优选实施方案，在步骤B中，所述前驱液反应形成成型纤维后，打开管状模具，然后向模具内注入含有赝电容的无机物的分散液，使纤维浸泡在该分散液中，接着干燥，得到表面有无机物沉积的石墨烯基空心纤维。

一种如上述所述的制备方法制备得到的石墨烯基空心纤维，所述石墨烯基空心纤维制备得到的线型电容器的单电极比电容为153～321mFcm^-2。

下面将详细地说明本发明。

一种石墨烯基空心纤维的制备方法，它包括以下步骤：

A，前驱液的制备

通过化学法将石墨粉氧化成膨胀的氧化石墨,再将获得的氧化石墨超声分散在去离子水中制备成浓度为5～20mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后加入还原剂，混合均匀后得到所述前驱液；

本发明中，石墨烯水溶液浓度过低，制备的纤维较细，不利于中空结构的形成；而浓度过高时形成的纤维较粗，模具剩余空间较小，也不利于纤维向外扩张形成中空结构。

B，化学还原反应

将步骤A得到的前驱液注入管状模具中并封口，然后在温度为50～100℃的条件下反应2～6h，得到成型纤维；