[发明专利]氟化石墨烯水凝胶材料及其电极制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氟化石墨烯水凝胶材料及其电极制备方法，具体地说是一种具有水凝胶结构的氟化石墨烯的制备方法及其在超级电容器上的应用，属于储能材料技术领域。

背景技术

氟化石墨烯是石墨烯的新型衍生物，是一种二维材料。由于具有耐高温、优良的化学稳定性以及独特的力、热、声、光、电特性，在能源领域被广泛应用，例如作为高能量密度锂一次电池正极材料，锂离子电池负极材料，染料敏化太阳能电池对电极，储氢催化剂以及燃料电池氧化还原反应催化剂等。

超级电容器作为一种能源储存装置，由于具有高功率密度和良好地循环稳定性，被广泛的应用在电动汽车，电气设备以及后备电源等领域。石墨烯及其衍生物由于其优良的导电性，较大的比表面积和优异的化学稳定性被认为是超级电容器理想的电极材料。石墨烯基材料的储能性能可以通过阻碍石墨烯纳米片的自组装，构建三维结构例如水凝胶的方式获得提高。水凝胶结构不仅可以去除制备过程中的后续提取步骤而且其特有的多孔结构使得其可以与多种材料复合。

氟化石墨烯可以由石墨烯和高活性的含氟气体反应制的，然而此方法需要复杂设备处理剧毒和高腐蚀性的气体氟源，限制其广泛应用。而通过剥离氟化石墨方法制的的氟化石墨烯产量小，并且氟化度由选定的氟化石墨决定，不能轻易调控。在以前的工作中，氟化石墨烯作为超级电容器电极材料并未表现出令人满意的性能，而且制备的电极材料多是粉末形式存在，在制备电极过程中需要加入粘结剂、导电剂等降低电化学性能的填料。而水凝胶结构的电极材料无需使用粘结剂等填料。目前水凝胶结构的氟化石墨烯电极材料并没有报道过。因此开发一种具有水凝胶结构的氟化石墨烯电极材料的制备方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供制备具有水凝胶结构的氟化石墨烯材料及其电极制备方法，该方法操作简单，快速环保。制备的氟化石墨烯材料具有三维水凝胶结构，用其制备的电极材料具有优异的电化学性能，良好的循环稳定性等优点，适用于作为超级电容器电极材料。

本发明的技术方案提供一种氟化石墨烯水凝胶材料的制备方法，通过以下技术方案实现：

(1)在聚四氟乙烯水热反应釜中加入0.5-2.0mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后加入氢氟酸溶液，氧化石墨烯水溶液与氢氟酸溶液体积比50～12.5:1，混合均匀，盖好密封；

(2)将(1)中的反应釜放入马弗炉中，120-180℃中反应6-24h；

(3)将(2)中得到的产物取出并浸入去离子水中，定时换去离子水，直至去离子水至中性，得到氟化石墨烯水凝胶。

所述步骤(1)中氢氟酸是质量分数为40％的HF水溶液；

所述定时换去离子水，可以过夜或每隔24小时换一次去离子水。

用氟化石墨烯水凝胶材料制备电极的方法：

(1)将氟化石墨烯水凝胶切成厚度为1-5mm的片状，用滤纸包裹去除多余水分得到氟化石墨烯水凝胶电极材料。

(2)将(1)中得到的氟化石墨烯水凝胶电极材料浸润在电解液体系中5h，充分浸润后在三电极和双电极体系下中测试性能，电解液为6molL^-1KOH溶液。

本发明操作简单，成本低，产量高，而且后处理简单，不需要特殊的反应仪器，制备成本低廉。可以通过简单的调控反应液浓度、反应温度时间等方便地控制氟化石墨烯水凝胶的氟化度；另外，所得到的氟化石墨烯水凝胶可直接切片制备成电极，与其他粉末材料相比，不需要使用粘结剂和导电剂，并且制得的电极材料具有较高的电容性能和优异的循环稳定性，在三电极体系下1Ag^-1电流密度下质量比电容为220Fg^-1，在100Ag^-1的高电流密度下容量仍高达120Fg^-1，在2Ag^-1电流密度下循环2000圈容量保持率为95.1％，在双电极体系中其能量密度可达5.0Whkg^-1以上，功率密度可达50kWkg^-1以上。

附图说明

图1为实例1制备得到的氟化石墨烯水凝胶的光学照片；

图2为实例1制备得到的氟化石墨烯水凝胶材料的扫描电子显微镜照片；

图3为实例1制备得到的氟化石墨烯水凝胶材料的X射线光电子能谱图；

图4为制备得到的氟化石墨烯水凝胶电极的循环伏安曲线图；

图5为制备得到的氟化石墨烯水凝胶电极的充放电曲线。

具体实施方案

以下通过具体的实施例对本发明技术方案进行说明。