[发明专利]一种三维石墨烯-氧化镍复合材料基底的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可应用于超级电容等领域的电极材料的三维石墨烯-氧化镍复合材料基底的制备方法，属于功能纳米材料的制备技术领域。

背景技术

能源问题是目前人类亟需解决的重大问题，它直接影响经济的可持续发展和人类的健康生存。超级电容器作为一种完全不同于电池的电化学储能器件，与传统电容器相比具有更高的功率输出密度和能量输出密度，与电池相比具有更长的循环寿命，可快速充放电，同时具有绿色环保无污染等优点。

电化学超级电容器的电极材料主要包括碳材料、过渡金属氧化物、氢氧化物和导电聚合物材料等。根据储能机理的不同，超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容器，其中赝电容器具有比双电层电容器更高的比容量，具有更大的发展潜力。在过渡金属氧化物中，氧化钌具有高功率、高能量密度的电化学性能，是超级电容器最有希望的电极材料，但其昂贵的价格限制了其实际应用。发展其他高性能廉价过渡金属氧化物或氢氧化物已成为目前超电容研究的热点。氧化镍材料有着与氧化钌相似的功能，且价格便宜，是超级电容器的理想电极材料。

氧化镍材料本身存在着表观导电率不高的缺点，石墨烯是一种单原子厚度的二维碳材料，具有优异的电学，光学，力学性能，将石墨烯材料以及石墨烯复合材料应用于超级电容器领域受到广泛关注。传统的化学方法制备石墨烯复合材料时，采用的是还原氧化石墨制备石墨烯复合材料的方法，这种方法制备出的材料易于团聚，对性能的影响较大。另外，目前制备的不同结构的氧化镍材料在用于超级电容器的电极制备时，通常采用是将粉末状材料与PTFE乳液混合后涂覆在基底表面的方法，这种方法操作繁琐，制成的膜均匀性不高。因此，发展一种三维支架式石墨烯-氧化镍复合材料可以有效地提高氧化镍材料的表观导电率以及提供一种用于材料的三维生长的基底。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种作为超级电容器电极基底材料的三维石墨烯-氧化镍复合材料的制备方法，这种复合材料基底可以有效地提高电极材料的表观电导率，在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景。

本发明采用表面活性剂作为结构导向剂，水溶性甲阶酚醛树脂为碳源，泡沫镍为模板，通过水热反应和热处理石墨化相结合的方法合成了三维石墨烯-氧化镍复合材料。

本发明中使用的水溶性甲阶酚醛树脂是由苯酚、甲醛溶液和氢氧化钠制成，其中氢氧化钠的质量为苯酚质量的1%～10%，苯酚与甲醛的物质的量的比为1～2:0.5～4。

本发明中使用的非离子表面活性剂为聚环氧乙烷（PEO）-聚环氧丙烷(PPO)-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，优选的非离子表面活性剂为F127（PEO106-PPO70-PEO106），配制成水溶液的质量浓度为5%～15%。

本发明中的原料泡沫镍的清洗过程包括用乙醇、丙酮和水分别超声清洗10～15min。

本发明中水热反应中加入聚四氟乙烯反应釜的反应液的体积的比例与反应釜的容积的比例是0.1～0.3:1。

本发明中的一种三维石墨烯-氧化镍复合材料基底的制备方法，按以下步骤进行：一、将苯酚在40℃～43℃下加热使其融化后加入甲醛溶液，搅拌5～10min后向反应体系中加入氢氧化钠，升温至50℃～80℃，保温0.5h～2h，即得到水溶性甲阶酚醛树脂；二、将非离子表面活性剂水溶液与低分子量水溶性甲阶酚醛树脂溶液按体积比0.5～1:1混合后搅拌2～4h后，加入1～5倍体积水稀释此混合液，然后在67℃～75℃下搅拌10～15h；三、将清洗后的泡沫镍放入装有第二步得到的反应液体的聚四氟乙烯反应釜中浸泡1～3h，然后加入去离子水稀释溶液后继续浸泡2～6h后，水热反应的温度为120℃～140℃，反应时间为18h～24h；四、将含有步骤三反应得到的产物的泡沫镍取出后放在烘箱中，经20℃～60℃干燥2～3天后，再在管式反应炉中经高温处理的方法得到三维石墨烯-氧化镍复合材料基底。高温处理的方法为，在氮气或惰性气体保护下，以1℃/min～5℃/min速率升温至300℃～400℃，保温2～3h，再以1℃/min～5℃/min速率升温至700℃～900℃，保温1～2h。

与现有技术相比，本发明具有以下明显的优点：

本发明使用的制备三维石墨烯/氧化镍复合基底的方法制备方法简单，所需要的反应试剂种类及用量都较少，成本相对较低，并且反应使用的温度在900℃以下，远低于利用化学气相沉积（CVD）方法制备三维石墨烯材料的反应温度。