[发明专利]一种表面修饰含氧官能团的超级电容器用石墨烯

说明书

本发明提供了一种表面修饰含氧官能团的超级电容器用石墨烯材料及其制备和应用。本发明的石墨烯表面修饰含氧官能团，此类官能团防止石墨烯片层间的石墨化团聚，提高石墨烯表面亲和电解液的能力，发生高度可逆的氧化还原反应提供赝电容容量，使本发明的石墨烯是一种性能良好的超级电容器电极材料。具体的制备方法是利用溶解KMnO₄和NaNO₃的浓硫酸作为氧化剂，经过低温、中温和高温三个阶段长时间的氧化石墨，获得高氧化度的氧化石墨烯；经过高温水热处理，氧化石墨烯的表面官能团部分被还原得到目标产物。本发明提供的石墨烯用作超级电容器电极材料时，具有很高的比容量、良好的倍率性能和超长循环稳定性，在储能领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体而言，本发明涉及一种表面修饰含氧官能团的超级电容器用石墨烯材料及其制备和应用。

背景技术

电化学电容器，又叫超级电容器，具有比电池高一个数量级的功率密度、超长的循环寿命和无安全隐患等优点，在高功率设备如电动车、高功率电子设备、不间断电源、新能源发电暂存、脉冲电源等领域具有广阔的应用前景。超级电容器的性能主要取决于所用的电极材料的性能，因此提高超级电容器的性能需要开发高性能电极材料。现如今基于电极材料表面双电层吸附作用的碳材料在商业化应用中占据主要地位，因此提高碳材料的性能是优化超级电容器整体性能的关键之一。

在众多的碳基电极材料中，石墨烯具有高达2630m²/g的理论比表面积和6×10³的高电导率，被认为是一种具有应用前景的双电层电极材料，也是现今超级电容器研究的一大热点。但是石墨烯的应用需要克服其自身团聚和与电解液相疏的两大问题。前者会减少石墨烯的活性位点，后者降低了活性位点的应用效率，两者均会降低石墨烯的电荷存储容量。

专利采用石墨烯表面修饰含氧官能团降低其自身的团聚和提高与电解液的亲和性。石墨烯的表面含氧官能团能够防止石墨烯片层间的石墨化团聚和提高亲和电解液的能力，使石墨烯保持较多的表面活性位点及实现较高的表面活性位点利用率，从而实现较高的双电层超级电容性能。同时，石墨烯的表面含氧官能团能够发生高度可逆的氧化还原反应提供附加赝电容电荷储存容量，提高石墨烯的超级电容性能。

专利公开了一种表面修饰含氧官能团的石墨烯及其制备和应用。所公开的石墨烯通过表面含氧官能团的相互排斥作用明显降低石墨化团聚，良好的亲水性提高与电解液的亲和能力，同时因为官能团可逆的氧化还原作用提供附加电荷存储容量，通过此种手段实现较高的超级电容性能。制备方法方面，公开了一种高氧化程度氧化石墨烯的制备及部分还原方法，能够制备出表面修饰含氧官能团的石墨烯。将高氧化程度的氧化石墨烯充分分散于溶剂中，在高于120℃的水热温度下部分还原氧化石墨烯，得到表面修饰含氧官能团的石墨烯。

发明内容

本发明的目的是提供一种团聚性能低、电解液亲和性好、拥有赝电容性能提供附加电荷存储容量、生产成本低和表面修饰含氧官能团的超级电容器用石墨烯材料。本发明的另一个目的是提供上述表面修饰含氧官能团石墨烯材料的制备方法和超级电容器应用。

实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种表面修饰含氧官能团超级电容器用石墨烯材料，该石墨烯除了具有普通石墨烯的高比表面积和高电导率以外，石墨烯表面修饰含氧官能团，能够防止相邻片层间的石墨化团聚、提高亲和电解液的能力和发生高度可逆的氧化还原反应提供附加电荷储存性能，是一种性能良好的超级电容器电极材料。

一种表面修饰含氧官能团超级电容器用石墨烯的制备方法，包括如下步骤：