[发明专利]直接浸泡反应式的泡沫镍-石墨烯三维多孔电极制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合电极材料制备领域，具体地涉及一种直接浸泡反应式的泡沫镍-石墨烯三维多孔电极制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的新型碳材料，其独特的二维六边形蜂 窝状晶体结构赋予了其优异的电学、热学和力学等性能而被广泛应用于电极材料、催化剂 载体、气体的吸附以及储存与分离等诸多领域。但是石墨烯的二维结构特点使得其很容易发生团聚，直接降低了其比表面积，限制了石墨烯材料的实际应用，而将二维结构石墨烯材料组装成三维宏观多孔结构则是实现其实际应用的一种有效手段。

现有技术中，中国科学院化学研宄所的刘云圻等人提出了利用化学气相沉积的方 法，在金属泡沫衬底上首次实现了石墨烯的三维结构，其中将金属泡沫衬底刻蚀后，得到的 三维空心多孔网络结构石墨烯泡沫具有优异的导电能力、巨大的比表面积和高的热稳定 性以及化学稳定性，使其在高效能量存储方面得到了广泛的应用。此外，CN103903880A、 CN102931437A中公开了一种采用温度高达500°C甚至1100°C的加热炉来还原生成泡沫 镍-石墨烯超级电容器电极的方法；CN103680974A、CN103545121A和发明人自己早期提出 的CN103258656A中都披露了先通过浸泡方式获得沉积有氧化石墨烯的泡沫镍，然后采用 电极法、抗坏血酸或者高温加热法来执行还原反应，以便将氧化石墨烯还原成石墨烯并沉 积在泡沫镍表面的方法。

然而，进一步的研宄表明，上述现有技术无一例外地均需要执行额外、繁琐的还原 反应以便将氧化石墨烯变成石墨烯，这些方案中无论是化学气相法、高温加热还是化学还 原法，其昂贵的沉积设备（管式炉）和维护费用，以及复杂的制备工序和高温环境等，相应 都会极大限制工艺的质量操控性，并显著提高了材料的制作成本，因而成为直接影响石墨 烯泡沫商业化发展的重要不利因素。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直接浸泡反应式的泡沫 镍-石墨烯三维多孔电极制备方法，其中通过对其关键反应物的类型特别是浸泡反应的具 体工艺条件进行研宄和设计，与现有技术中获得氧化石墨烯-泡沫镍复合材料之后再执行各类还原反应的方式相比，可以仅通过简单、便于操控的一个浸泡过程即可快速完成还原 反应，并基于泡沫镍的基底增强效应在其表面上直接沉积生长石墨烯，最终形成三维多孔 结构且高比表面积的产物，相应极大地提高了整体的反应速率，其泡沫产物性能优良、稳定 性高，同时具备工艺便于操控、绿色环保、低成本和低能耗的优点，因而尤其适用于大批量 规模生产的石墨烯复合泡沫生产场合。

一种直接浸泡反应式的泡沫镍-石墨烯三维多孔电 极制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将泡沫镍依次采用冰醋酸、丙酮和乙醇进行清洗，然后将其通过去离子水清洗 后晾干放置；

(b)制备质量浓度为0.5mg/mL〜10mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后将步骤（a) 处理后的泡沫镍直接浸泡到其中静置反应，并且在此浸泡过程中反应温度被控制为30°C〜 80°C，浸泡时间为2小时〜12小时；以此方式，石墨烯在浸泡过程中发生还原反应，并在作 为导电基底的泡沫镍表面上自发沉积生长为石墨烯，最终形成三维多孔结构的泡沫镍-石墨烯产物。

通过以上构思，通过对其关键反应参数如浸泡时间、浸泡温度和配料比的控制，可以仅通过简单、便于操控的一次浸泡过程，即可在无需额外的其他操作的情况下，直接将氧化石墨烯还原成石墨烯并自发均匀沉积生长在泡 沫镍的表面上，相应极大地提高了整体的反应速率；与此同时，泡沫镍不仅可以作为导电基 底来沉积石墨烯，而且还用作三维石墨烯结构的支撑骨架和电极集流体，这样所获得的石 墨烯泡沫电极可充分利用泡沫镍基底的高比表面积，使得电极材料的比表面积显著提高， 因而尤其适用于超级电容器、锂离子电池和锂空气电池等能量存储设备的电极材料，同时 也适用于负载纳米电活性材料（如金属氧化物或导电聚合物等），以便进一步提升电极的电化学储能特性。

作为进一步优选地，在步骤（b)中，优选采用氧化剥离法来制备所述氧化石墨烯水溶液，并且其质量浓度进一步设定为1mg/mL〜2.5mg/mL。

作为进一步优选地，在步骤（b)中，所述反应温度优选为60C〜70℃，浸泡时间为 4小时〜6小时。

作为进一步优选地，在步骤（b)中，所述反应温度最优选约为60℃，浸泡时间控制为6小时左右。