[发明专利]一种碳纤维/三维网状石墨烯复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳纤维/三维网状石墨烯复合材料的制备方法及其应用，通过涂覆及热处理的方法，在碳纤维表面生长具有多孔及薄层结构的石墨烯，三维石墨烯片层结构与碳纤维组成网状结构。该结构具有较高的比表面积，同时能够实现电子及电解液离子的快速传输，提高电容性能。本发明碳纤维/三维网状石墨烯复合材料不仅可以直接作为电极材料，而且可以作为一种导电基底，通过生长其他电极材料，进一步运用于超级电容器中。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维/三维网状石墨烯复合材料的制备方法及其应用，属于纳米材料技术领域。

背景技术

作为一种新型的绿色储能装置，电化学超级电容器因具有高功率密度、高充放电效率、大的充放电倍率、长寿命等特点，获得了广泛的关注。电极材料是决定超级电容器电化学稳定性、功率密度及能量密度的重要因素之一，是目前的研究热点。碳材料作为一种常见的超级电容器电极材料，具有较高的比表面积，较好的稳定性和较长的循环寿命。碳材料结构多样，例如碳纳米管，块状活性炭，碳球以及层状石墨烯等。其中碳纤维是一类具有纤维形态，含碳量高，性能优异的碳材料，具有密度小、质量轻、化学稳定性以及突出的力学性能等优势，从而引起广泛关注。然而，碳纤维比表面积较小，电容质量比较低，直接作为超级电容器电极材料，其电化学性能较差。

因此，如何增大碳纤维比表面积、提高碳纤维作为电极材料在超级电容器实际运用中作用，具有重要研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维/三维网状石墨烯复合材料的制备方法及其应用。本发明通过涂覆及热处理的方法，在碳纤维表面生长具有多孔及薄层结构的石墨烯，三维石墨烯片层结构与碳纤维组成网状结构。该结构具有较高的比表面积，同时能够实现电子及电解液离子的快速传输，提高电容性能。本发明碳纤维/三维网状石墨烯复合材料不仅可以直接作为电极材料，而且可以作为一种导电基底，通过生长其他电极材料，进一步运用于超级电容器中。

本发明碳纤维/三维网状石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：称取PVA固体0～6g，加蒸馏水30ml后升温至70-90℃搅拌溶解，得到PVA溶液；将KOH固体溶解在10-30ml蒸馏水中，随后与PVA溶液混合，于60-80℃搅拌10-300min，获得PVA-KOH溶液；

步骤2：称取葡萄糖粉末0.1～5g、红磷0.01～1.5g以及醋酸镍0.01～1g，加入20-30ml蒸馏水混合，于50-80℃下搅拌10-300min，至溶液呈粘稠状，得到葡萄糖-红磷-醋酸镍混合液；将PVA-KOH溶液与葡萄糖-红磷-醋酸镍混合液混合，搅拌均匀，得到混合浆料；

步骤3：将步骤2获得的混合浆料涂覆在碳纤维纸或PAN纤维膜上，涂覆厚度为10-30um，纤维完全被该混合浆料覆盖，然后送入管式炉中，在氩气气氛中进行退火处理，退火后用去离子水洗涤，干燥后获得碳纤维/三维网状石墨烯复合材料。

步骤1中，PVA与KOH的质量比为(5～0):1；所述PVA的分子量为2000-300000。

步骤2中，葡萄糖与红磷的质量比为(5～0.1):1，醋酸镍的质量为葡萄糖质量的5-15％。

步骤2中，PVA-KOH溶液与葡萄糖-红磷-醋酸镍混合液混合时，所取PVA-KOH溶液的质量为10mg-50mg，葡萄糖-红磷-醋酸镍混合液的质量为5mg-25mg。

步骤3中，所述碳纤维纸或PAN纤维膜的尺寸为1cm×2cm，厚度为30-150um。

步骤3中，退火温度为500-1200℃，退火时间为1-10h，升温速率1-20℃/min。

本发明制备的碳纤维/三维网状石墨烯复合材料的应用，是以碳纤维/三维网状石墨烯复合材料作为超级电容器的负极材料。