[发明专利]一种超级电容器电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的超级电容器电极材料，在泡沫镍上负载有石墨烯和石墨烯量子点。本发明还提供了上述超级电容器电极材料的制备方法，以泡沫镍作为衬底，先采用水热法负载石墨烯，再经电化学方法沉积氮掺杂石墨烯量子点。本发明的超级电容器电极材料具有高比电容以及良好的结构稳定性、循环稳定性，比电容高达1064 F/g(按石墨烯的质量计算)，该氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯复合结构的超级电容器电极材料在中性Na₂SO₄、Li₂SO₄等溶液和碱性NaOH、KOH等溶液中均有高比能量和稳定的工作窗口，可应用在需要中性电解液、碱性电解液、高稳定性、高功率的电源场合。

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种电极材料，具体来说是一种氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型电化学储能单元，是最具应用前景的电化学储能技术之一。目前，超级电容器的研究重点是提高能量密度和功率密度，发展具有比表面积、高导电率以及结构稳定的电极材料。石墨烯具有比表面积高、导电性好等优点，是理想的超级电容器电极材料。石墨烯作为超级电容器电极材料，但存在以下技术难题：(1)在石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象，影响石墨烯材料的比表面积，而导致电容性能显著下降。(2)石墨烯为非极性材料，在电解质中的分散性和浸润性差，导致离子电导率下降。(3)其理论比容量仅有329F/g，限制了该材料的大规模应用。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的超级电容器电极材料及其制备方法，所述的这种氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的超级电容器电极材料及其制备方法要解决现有技术中的超级电容器电极材料电容性能和离子电导率不佳的技术问题。

本发明提供了一种氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的超级电容器电极材料，以泡沫镍作为衬底，在泡沫镍上负载有石墨烯和石墨烯量子点。

本发明还提供了上述的一种氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的超级电容器电极材料的制备方法包括如下步骤：

1)取泡沫镍，依次用盐酸、丙酮、去离子水和酒精超声清洗后真空干燥；

2)将步骤1)的泡沫镍浸泡至石墨烯溶液中进行水热处理；所述的石墨烯溶液的浓度为0.01g/L-1g/L，水热温度为60-160度，水热时间为2-10h；

3)将氮掺杂的石墨烯量子点溶液置于电解池中，氮掺杂石墨烯量子点的浓度为0.02g/L-1g/L，将步骤2)水热反应结束后的泡沫镍干燥，作为工作电极，采用循环伏安法沉积氮掺杂石墨烯量子点，沉积窗口为0-2V电压，循环次数50-300次，扫描速率10-500mVs^-1；即得到氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯复合结构超级电容器电极材料。

本发明以泡沫镍为衬底，先采用水热法负载石墨烯，再经电化学方法沉积氮掺杂石墨烯量子点，获得氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯超级电容器电极材料。

本发明通过控制水热温度和石墨烯起始浓度的方法将石墨烯纳米片沉积在泡沫镍表面，获得分散均匀的石墨烯薄膜，解决了石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象、影响石墨烯材料的比表面积，石墨烯在电解质中的分散性的技术问题。本发明在石墨烯表面电沉积水溶性氮掺杂石墨烯量子点，以改善其亲水性，提高离子导电率以及石墨烯浸润性差的技术问题。同时氮掺杂石墨烯量子点也可以大幅度提高比电容，突破了石墨烯的理论比容量。