[发明专利]一种形态可控的石墨烯纳米片电极材料及其制备方法和应用

说明书

[技术领域]

本发明属于新能源存储技术领域，具体地说是一种形态可控的石墨烯纳米片电极材料及其制备方法和应用。

[背景技术]

随着现代世界对新型技术的演变与依赖，人类社会对新能源技术的迫切需求推动着科学的进步与新技术的产生，尤其是对超级电容器的研究与开发利用。近年来，石墨烯作为一个重要的研究对象，被广泛的研究并被确认为是一种极具潜力的电极材料。石墨烯由于其独特的二维蜂窝结构及其显著的物化性能，在新能源器件、传感器、生物医药等领域均具有广泛的应用。然而，由于石墨烯本身能分散问题，限制了其应用。目前，学者较多以氧化石墨烯为研究对象，通过特定的方法以提高其电子传导率、机械强度等性能，以此来替代石墨烯的应用。

氧化石墨烯转化为石墨烯及其衍生物可以通过热处理、电化学处理或化学还原等方法制备。其中，水热法还原氧化石墨烯已经被广泛的应用于实验室制备石墨烯衍生材料。传统的水热法具有简便的操作过程，但是该方法中影响因素复杂，制备合成的石墨烯基的纳米片复现率低，孔径分布不均匀。虽然近年来，大量的化学试剂被用于氧化石墨烯的水热还原，但通过水热法制备一种形貌可控、孔径均匀的石墨烯纳米片材料依然是重大挑战之一。

模板法在材料科学领域得到深入研究，被广泛应用于可控制备具有特定形貌和孔结构的多孔材料。硬模板纳米二氧化硅由于其较好的耐高温耐酸碱能力，在化学反应中不易变形损失，因而是一种良好的造孔模板。通过使用纳米二氧化硅制备多孔石墨烯衍生物，有助于控制所得材料的表面形态，形成均匀有序的孔道结构。因此，若能将传统的水热法与模板法相结合制备具有形貌可控、孔结构均匀的石墨烯气凝胶材料，不仅有利于电解质和电子的转移与传输，在储能领域的超级电容器方面具有较大的技术优势，而且作为可被进一步修饰的载体开发具有更高电化学活性的电极材料。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种形态可控的石墨烯纳米片电极材料及其制备方法，解决了现有技术中的还原氧化石墨烯气凝胶在水热还原过程中形态孔径可控性差的问题，从而进一步提高了石墨烯气凝胶的电化学性能。

为实现上述目的设计一种形态可控的石墨烯纳米片电极材料，所述石墨烯纳米片电极材料以纳米二氧化硅作为硬模板，通过水热法和氢氟酸刻蚀法制备而成。

进一步地，所述石墨烯纳米片电极材料的均匀孔径可控在1-100nm。

本发明还提供了该形态可控的石墨烯纳米片电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)配制氧化石墨烯水分散液，超声分散均匀，将纳米二氧化硅分散液与氧化石墨烯水分散液混合，得到二氧化硅掺杂的氧化石墨烯分散液；

2)将步骤1)得到的混合液通过水热法来制备二氧化硅作为模板掺杂的还原氧化石墨烯气凝胶；

3)将步骤2)得到的石墨烯气凝胶在真空条件下脱水干燥，得到二氧化硅模板掺杂的石墨烯复合膜；

4)将步骤3)所得的石墨烯复合膜在氢氟酸下刻蚀除去二氧化硅，并用去离子水洗涤数遍，得到均匀孔隙的多孔石墨烯片层材料；

5)将步骤4)所得的石墨烯片层材料碾磨成粉末，与炭黑、聚四氟乙烯充分混合于微量乙醇的水溶液中，均匀涂抹在洗净的泡沫镍表面并将涂抹后的泡沫镍压平，充分干燥后即得到形态可控的石墨烯纳米片电极材料。

进一步地，步骤1)中，所述纳米二氧化硅分散液中，纳米二氧化硅的粒径为5-100nm，纳米二氧化硅的分散溶剂为乙醇，纳米二氧化硅在乙醇溶剂中超声分散30min，纳米二氧化硅的乙醇溶液浓度为10-50mg/ml。

进一步地，步骤1)中，氧化石墨烯与纳米二氧化硅的质量比为0.8-1.25。

进一步地，步骤2)中，水热反应在带有聚四氟内衬的高压反应釜中进行，水热反应的温度为160-220℃，反应时间为8-24h。

进一步地，步骤3)中，所得的凝胶真空干燥温度为60-90℃。

进一步地，步骤4)中，氢氟酸为浓度为10％wt的氢氟酸水溶液，刻蚀时间为1-5h。

进一步地，步骤4)中，去离子水洗涤次数不少于3次，直至可溶性杂质完全被除去。

本发明进一步提供了该形态可控的石墨烯纳米片电极材料在作为超级电容器电极材料方面的应用。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：