一种用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料的制备方法，具体过程为：通过添加阻聚成分醋酸镍和尿素、热膨胀及真空辅助将石墨烯纸的片层结构打开，再通过气相沉积在打开的层间结构中沉积碳纳米管得到石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。本发明制得的复合电极材料具有很高的比表面积和丰富的孔道结构，并由碳纳米管在层间支撑构建成三维导电网络结构，这种新型的石墨烯基层状二维结构表现出很高的电容性能，是一种优秀的超级电容器电极材料。

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种具有独特二维平面结构的材料，它由单层碳原子以sp2杂化联接在一起而组成，独特的结构赋予了石墨烯优异的性能，它具有良好的导电能力、优异的力学性能、较高的热传导系数以及很高的比表面积。因此，石墨烯在超级电容器领域具有很强的应用潜力。

石墨烯是一种优良的结构单元，通过对其结构诱导能够得到一维、二维及三维结构材料，并表现出独特的结构特性。石墨烯纸是由石墨烯结构诱导得到的二维结构，它具有较好的力学性能和柔性特点，在储能领域特别是柔性储能器件领域具有很强的应用潜力。然而石墨烯纸在制备的过程中片层发生了严重的重新堆叠，导致材料的比表面积很低，同时其所残留的含氧官能团降低了石墨烯纸的导电能力，大大限制了石墨烯纸的应用。

目前国内外各种文献和专利报道的石墨烯纸超级电容器电极材料主要采用添加复合材料和造孔等方法提高石墨烯纸的性能。如申请号为CN201510465231.4的专利在使用热接触的方法在石墨烯纸材料中构建出纳米孔道结构，大大提高了材料的比表面积。申请号为CN201410088987.7的专利报道了在石墨烯纸中复合金属纳米颗粒，显著改善了材料的导电能力。但是上述方法制得的电极材料用于超级电容器中其电化学性能仍然不够理想，有待进一步提高。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料的制备方法，该方法制得的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料具有比表面积高和导电能力强等特点，在电化学性能测试中表现出优异的性能，具有广阔的应用前景。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料的制备方法，其特征在于：通过添加阻聚成分醋酸镍和尿素、热膨胀及真空辅助将石墨烯纸的片层结构打开，再通过气相沉积在打开的层间结构中沉积碳纳米管得到石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。

进一步优选，所述用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：以Hummer’s法制备得到氧化石墨，将氧化石墨分散于蒸馏水中配制成10mL、2mg/mL的氧化石墨烯分散液并加入10mL、7.5mg/mL的醋酸镍溶液和20-40mg尿素，持续搅拌得到均匀分散液，将该分散液真空抽滤并于70℃干燥12h得到氧化石墨烯基类纸材料，该氧化石墨烯基类纸材料在氢氩混合气中以15-30℃/min的升温速率升温至500-700℃并抽真空至气压为-0.1Mpa，使用蠕动泵以0.5-3mL/min的速率持续加入乙醇作为碳源进行碳纳米管沉积5min，反复抽真空及碳纳米管沉积步骤3次，待温度降至室温后取出样品并用稀盐酸溶液和蒸馏水反复清洗，所得样品于70℃干燥12h得到最终产物用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。

进一步优选，所述氧化石墨烯基类纸材料在氢氩混合气中以20℃/min的升温速率升温至600℃。

进一步优选，所述氢氩混合气中氢气的体积百分含量为5%。

进一步优选，所述乙醇的添加速率为2mL/min。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过结构设计将氧化石墨烯、醋酸镍和尿素混合并抽滤得到复合石墨烯纸，通过热膨胀和真空辅助将复合石墨烯纸中的片层结构打开，并在打开的石墨烯纸层间结构中沉积了碳纳米管得到独特的石墨烯/碳纳米管二维复合结构，该结构具有很高的比表面积和丰富的孔道结构，并由碳纳米管在层间支撑构建成三维导电网络结构，这种新型的石墨烯基层状二维结构表现出很高的电容性能，是一种优秀的超级电容器电极材料。

附图说明

图1是纯石墨烯纸及实施例1制得复合电极材料的SEM图；

图2是纯石墨烯纸及实施例1制得复合电极材料的氮气吸脱附曲线；

图3是纯石墨烯纸及实施例1制得复合电极材料的恒流充放电曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但并不以任何形式限制本发明的内容。

实施例1

以Hummer’s法制备得到氧化石墨，将氧化石墨分散于蒸馏水中配制成10mL、2mg/mL的氧化石墨烯分散液并加入10mL、7.5mg/mL的醋酸镍溶液和20mg尿素，持续搅拌得到均匀分散液，将该分散液真空抽滤并于70℃干燥12h得到氧化石墨烯基类纸材料，该氧化石墨烯基类纸材料在氢气体积百分含量为5%的氢氩混合气中以20℃/min的升温速率升温至600℃并抽真空至气压为-0.1Mpa，使用蠕动泵以2mL/min的速率持续加入乙醇作为碳源进行碳纳米管沉积5min，反复抽真空及碳纳米管沉积步骤3次，待温度降至室温后取出样品并用稀盐酸溶液和蒸馏水反复清洗，所得样品于70℃干燥12h得到最终产物用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。

图1是纯石墨烯纸（A和B）及实施例1制得复合电极材料（C和D）的SEM图，从图1中可以看出未经复合尿素及醋酸镍所得样品具有较为规整、紧实的片层排列结构，没有碳纳米管出现，而经过尿素及醋酸镍复合后样品中的石墨烯片层排列疏松，并在层间沉积了大量碳纳米管。

图2是纯石墨烯纸及实施例1制得复合电极材料的氮气吸脱附曲线，使用Brunauer-Emmett-Teller法对样品的氮气吸脱附曲线进行计算得到纯石墨烯纸样品的比表面积为3.2m²/g，而实施例1制得样品的比表面积提升至262.1m²/g，较高的比表面局赋予了实施例1制得样品更多的能量储存活性位点。

不同样品的超级电容器充放电性能通过恒流充放电测试进行表征。使用双电极体系，6mol/L的KOH溶液为电解液进行测试。首先，将样品剪裁成合适尺寸在10MPa的压力下压在圆形金属镍网上制成极片。在模具中将两片极片与隔膜电解液组装得到双电极超级电容器。使用恒流充放电对超级电容器的电化学性能进行测试。实施例1制得样品表现出较好的充放电性能，在相同的电流密度下充放电时间远大于纯石墨烯纸样品，通过对其电容进行计算得到实施例1制得样品在0.5A/g的电流密度下容量达到了164.4F/g，具有较高的电容容量。

实施例2

以Hummer’s法制备得到氧化石墨，将氧化石墨分散于蒸馏水中配制成10mL、2mg/mL的氧化石墨烯分散液并加入10mL、7.5mg/mL醋酸镍溶液和40mg尿素，持续搅拌得到均匀分散液，将该分散液真空抽滤并于70℃干燥12h得到氧化石墨烯基类纸材料，该氧化石墨烯基类纸材料在氢气体积百分含量为5%的氢氩混合气中以20℃/min的升温速率升温至600℃并抽真空至气压为-0.1Mpa，使用蠕动泵以2mL/min的速率持续加入乙醇作为碳源进行碳纳米管沉积5min，反复抽真空及碳纳米管沉积步骤3次，待温度降至室温后取出样品并用稀盐酸溶液和蒸馏水反复清洗，所得样品于70℃干燥12h得到最终产物用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。

实施例3

以Hummer’s法制备得到氧化石墨，将氧化石墨分散于蒸馏水中配制成10mL、2mg/mL的氧化石墨烯分散液并加入10mL、7.5mg/mL醋酸镍溶液和20mg尿素，持续搅拌得到均匀分散液，将该分散液真空抽滤并于70℃干燥12h得到氧化石墨烯基类纸材料，该氧化石墨烯基类纸材料在氢气体积百分含量为5%的氢氩混合气中以15℃/min的升温速率升温至500℃并抽真空至气压为-0.1Mpa，使用蠕动泵以0.5mL/min的速率持续加入乙醇作为碳源进行碳纳米管沉积5min，反复抽真空及碳纳米管沉积步骤3次，待温度降至室温后取出样品并用稀盐酸溶液和蒸馏水反复清洗，所得样品于70℃干燥12h得到最终产物用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。

实施例4

以Hummer’s法制备得到氧化石墨，将氧化石墨分散于蒸馏水中配制成10mL、2mg/mL的氧化石墨烯分散液并加入10mL、7.5mg/mL醋酸镍溶液和20mg尿素，持续搅拌得到均匀分散液，将该分散液真空抽滤并于70℃干燥12h得到氧化石墨烯基类纸材料，该氧化石墨烯基类纸材料在氢气体积百分含量为5%的氢氩混合气中以30℃/min的升温速率升温至700℃并抽真空至气压为-0.1Mpa，使用蠕动泵以3mL/min的速率持续加入乙醇作为碳源进行碳纳米管沉积5min，反复抽真空及碳纳米管沉积步骤3次，待温度降至室温后取出样品并用稀盐酸溶液和蒸馏水反复清洗，所得样品于70℃干燥12h得到最终产物用于超级电容器的石墨烯/碳纳米管二维层状复合电极材料。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。