[发明专利]点片结构碳量子点-石墨烯纤维及制备和应用

说明书

本发明涉及一种点片结构碳量子点‑石墨烯纤维及制备和应用。其组分构成：石墨烯材料基体100质量份，碳量子点1～50质量份；以碳量子点分散于石墨烯片层之间得到0维‑2维的点片结构碳量子点‑石墨烯纤维。将氧化石墨烯和碳量子点的前驱体混合均匀，在受限的微通道中加热实现自组装得到碳量子点掺杂的氧化石墨烯纤维；在保护气氛下将其置于管式炉中煅烧得到高导电性、高机械强度、柔性、多孔的点‑片结构碳量子点‑石墨烯纤维。点片结构碳量子点‑石墨烯纤维在制备柔性超级电容器中的应用。所制备的超级电容器具有高比电容、高能量密度、可弯曲、高循环稳定性。可应用于柔性穿戴储能、电子器件等领域。且此方法简单易行，绿色环保，可批量生产。

技术领域

本发明涉及石墨烯纤维技术领域，具体涉及以碳量子点为纳米填料增强石墨烯纤维的点片结构碳量子点-石墨烯纤维及制备和应用。

背景技术

石墨烯因其具有高比表面积、优异的导电性、导热性和化学稳定性等优点，而逐渐成为一种理想的双电层型纤维超级电容器的电极材料。

超级电容器，又叫双电层电容器，是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的储能元件。与燃料电池和锂离子电池相比，它具有更高的功率密度、更快的充放电速度和更长的循环寿命。其中，以一维纤维电极构成的柔性超级电容器因其可编织的特点在柔性穿戴供能器件领域具有广阔的发展前景。

碳量子点是一种无毒，无污染的纳米材料，具有良好的亲水性，可以作为一种和石墨烯有较好亲和性的纳米填料。其表面富含丰富的羧基，羟基和氨基基团，易与氧化石墨烯产生相互作用，从而增强石墨烯的机械性能和电荷储存能力。碳量子点广泛应用于光电、生物医学等领域，作为纳米填料来增强石墨烯尚未有报导。因此，此方法具有创新意义，对石墨烯基超级电容器领域的发展有很大的促进作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳量子点增强的高导电性、高机械强度点片结构碳量子点-石墨烯纤维，本发明的另一目的是提供上述点片结构碳量子点-石墨烯纤维的制备方法，本发明还有个目的是点片结构碳量子点-石墨烯纤维的应用，将点片结构碳量子点-石墨烯纤维作为电极制作高能量密度、柔性超级电容器的方法。该方法简单高效，可大批量生产。

本发明的技术方案为：采用氧化石墨烯和碳量子点的混合前驱体在受限的微通道中经加热实现自组装得到点-片结构碳量子点-氧化石墨烯纤维，再经过高温煅烧得到高导电性、高机械强度、柔性、多孔的碳量子点-石墨烯纤维。将制备的点-片结构碳量子点-石墨烯纤维作为电极制作双电层电容器。碳量子点作为纳米填料分散在石墨烯片层之间，得到点-片的0维-2维结构，极大地增加了石墨烯纤维的孔隙率，提供更多的电子传输通道，提高了载流子迁移率，使制备的超级电容器具有更强的电荷储存能力。另外，碳量子点有丰富的含氧基团，在组装过程中与氧化石墨烯的表面基团发生物理化学作用，使石墨烯片层结合的更紧密，从而提高其机械强度。

本发明的具体技术方案为：点片结构碳量子点-石墨烯纤维，其特征是：以碳量子点为纳米填料，分散于石墨烯片层之间得到0维-2维的点片结构碳量子点-石墨烯纤维，增强了石墨烯纤维的机械性能和电荷储存能力；点片结构碳量子点-石墨烯纤维组分构成：石墨烯材料基体100质量份，碳量子点1～50质量份；纤维直径均一，在20～1000微米范围；纤维具有较好的柔性；纤维具有多孔结构，比表面积在350m²g^-1～800m²g^-1范围；纤维具有较好的机械强度，拉伸强度在55～1000Mpa范围；电导率范围5538～50283S/m。

本发明还提供了一种制备上述的点片结构碳量子点-石墨烯纤维的方法，其具体步骤如下：

1)以天然石墨片为原料，按照改进Hummers法制备氧化石墨烯水溶液，经高速离心浓缩后，得到8～20mg/mL的氧化石墨烯分散液；