[发明专利]一种缺陷诱导石墨烯基电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯基电极材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料，具有独特的二维纳米晶体结构，使其具有电子传输速率高、导电性优异、热导率高、机械性能出色，有望在纳米电子器件、透明导电薄膜、复合材料、催化材料、场发射材料、太阳能电池电极、光电转换器等领域获得广泛应用。石墨烯常被作为双电层电容器电极材料进行研究，三维混合结构石墨烯电极材料可有效提高单位面积内石墨烯片的密度，使电极表面可以形成更多的双电层参与储能行为。但石墨烯本身具有电子结构稳定的六边形结构，表面能较低，其与非极性水分子间的引力小于水分子间的结合能，与水系电解液之间的界面能较高，因此具有较强的疏水性。这种疏水本质使电解液无法浸入石墨烯片之间的沟道，因此在混合式三维结构中密集的垂直生长石墨烯片的侧壁及根部不能被充分润湿，这极大地限制了溶剂离子与电极材料的实际接触面积，使三维结构的优势不能充分发挥。因此，改善石墨烯材料的润湿性，是进一步提高超级电容器性能的有效途径。

目前已有许多中方法可以对垂直生长石墨烯片润湿性进行改善。如：利用多种合成方法制备具有不同微观结构的石墨烯材料，或者利用化学修饰方法，在氧化石墨烯表面引入不同亲水官能团，从而增强材料的润湿性。但是前一种涉及较多参数的调节，难以准确把握改善的程度及表面改性的机理，而化学修饰的方法涉及化学药品的选取，制备和化学反应，过程相对复杂。

发明内容

本发明要解决现有对垂直生长石墨烯片润湿性进行改善，其中多种合成方法制备具有不同微观结构的石墨烯材料，涉及较多参数的调节，难以准确把握改善的程度及表面改性的机理，而化学修饰的方法涉及化学药品的选取，制备和化学反应，过程相对复杂的问题，而提供一种缺陷诱导石墨烯基电极材料的制备方法。

一种缺陷诱导石墨烯基电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、将集电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，在温度为300℃～800℃、压强为200Pa～900Pa、射频功率为75W～225W、氩气的气体流量为40sccm～120sccm及CH₄气体的气体流量为5sccm～50sccm的条件下，沉积时间为5min～60min，得到沉积石墨烯的集电极材料；

二、沉积结束后，关闭CH₄气体，调节温度至刻蚀温度为400℃～800℃，调节氩气的气体流量为5sccm～100sccm，调节刻蚀压强为50Pa～300Pa，开启等离子体电源后，调节射频功率为100W～200W，同时旋转样品台使得沉积石墨烯的集电极材料与水平方向保持0°～45°的角度，然后在刻蚀温度为400℃～800℃、氩气的气体流量为5sccm～100sccm、刻蚀压强为50Pa～300Pa及射频功率为100W～200W的条件下，一次刻蚀1s～100s，再旋转样品台使得沉积石墨烯的集电极材料与水平方向保持-45°～0°的角度，然后在刻蚀温度为400℃～800℃、氩气的气体流量为5sccm～100sccm、刻蚀压强为50Pa～300Pa及射频功率为100W～200W的条件下，二次刻蚀1s～100s，得到表面刻蚀处理后的石墨烯；

三、刻蚀结束后，关闭射频电源和加热电源，以氩气为保护气体，冷却到室温，即完成缺陷诱导石墨烯基电极材料的制备方法。

本发明的有益效果是：

1、本发明在等离子体增强化学气相沉积设备中，利用高动能氩活性离子轰击石墨烯片，进行表面处理。同时本发明同制备石墨烯片的过程相结合，理论上无需进行沉积后冷却降温、腔体打开取出样品等过程，可做到沉积和表面处理一步操作，节约生产周期，降低能耗。

2、本发明的氩等离子体的改性作用，不与石墨烯直接反应，是通过刻蚀花瓣状石墨烯片边缘的褶皱和石墨烯最外面片层的结构，引入缺陷，提高其润湿性。不改变石墨烯的整体形貌，其优异的电学、力学性能得以保留。

3、本发明的方法简单，高效，低成本，便于工业化生产，氩等离子体刻蚀后的石墨烯电极材料比电容大幅度提高，且仍具有良好的循环稳定性，是一种极具潜力的超级电容器电极材料的改性方法。

本发明用于一种缺陷诱导石墨烯基电极材料的制备方法。

附图说明

图1为未经过氩等离子体刻蚀石墨烯的扫描电镜图片；

图2为实施例经过氩等离子体双面旋转刻蚀1min后的石墨烯的扫描电镜图片；