[发明专利]一种具有管状结构的石墨烯膜电极的制备方法

说明书

本发明提供了一种具有管状结构的石墨烯膜电极的制备方法，步骤如下：第一步：用改进的Hummers法，制备浓度为8‑12mg/mL的氧化石墨烯水溶液；第二步：将上述氧化石墨烯水溶液与浓度100‑200mg/mL的草酸水溶液等体积超声混匀并倒入聚四氟乙烯容器中，20‑35℃蒸发溶剂至混合溶液中草酸刚好达到饱和状态，立即转移至‑20℃冷冻过夜，然后室温条件下吹干，得到包裹着草酸微晶的氧化石墨烯膜；第三步：将得到的氧化石墨烯膜采用低温加热还原的方法，制备得到具有管状结构的石墨烯膜电极。所述方法工艺简单、成本低，可批量生产。本发明中草酸受热分解的同时还原氧化石墨烯，所制备的石墨烯膜电极材料不需要繁琐的后处理便可直接用于对称或非对称超级电容器电极材料。

技术领域

本发明涉及膜电极材料的制备，特别涉及一种具有管状结构的石墨烯膜电极的制备方法。

背景技术

近年来，消费电子产品正向着小型化的方向发展，激发了人们对可用于小型电子设备的电化学电容器的研究兴趣，开发轻、薄、无粘结剂、独立自支撑且具有高速率性能的电化学电容器电极材料已成为一个重要的研究方向。石墨烯膜由于其制备过程简单，成本低，独立自支撑等特点，在电化学电容器领域受到科研人员的广泛关注。

目前，抽滤法、界面组装法、喷墨印刷法等是制备石墨烯膜最常用的方法(Appl.Phys.Lett.,2010,96,253105；ACS Nano,2011,5,7205；Adv.Mater.,2009,21,3007；Adv.Mater.,2013,25,3985.)，但是由于石墨烯片层存在强的范德华力和强的π-π相互作用，导致所制备的石墨烯膜发生不可逆的、严重的堆叠、团聚，从而导致了电解质离子在石墨烯膜中的扩散受到限制，石墨烯的有效比表面积降低，影响了其电化学电容性能。为了解决上述问题，Su等人以聚甲基丙烯酸甲酯微球为模板，并将过滤法与高温煅烧的方法相结合，制备得到三维大孔结构的石墨烯膜，提高了电解质离子在石墨烯膜中扩散速率，然而该方法煅烧温度高达800℃，实验条件较苛刻。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工艺简单，实验条件温和，成本低，可批量生产、电容速率性能好的具有管状结构的石墨烯膜电极的制备方法，该电极可用作超级电容器电极。

本发明提供的一种具有管状结构的石墨烯膜电极的制备方法，包括如下步骤：

第一步：利用改进的Hummers法，制备得到浓度为8-12mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

第二步：将上述氧化石墨烯水溶液与浓度100-200mg/mL的草酸水溶液等体积超声混匀并倒入聚四氟乙烯容器中，20-35℃蒸发溶剂至混合溶液中草酸刚好达到饱和状态，立即转移至-20℃冷冻过夜，大量的草酸微晶均匀地分散在氧化石墨烯骨架中，然后室温条件下，风扇将其吹干，得到包裹着草酸微晶的氧化石墨烯膜；

第三步：将第二步得到的氧化石墨烯膜采用低温加热还原的方法，制备得到具有管状结构的石墨烯膜电极。

进一步地：

第二步中蒸发溶剂的温度优选为30℃。

第二步中所述聚四氟乙烯容器可以用塑料容器或者玻璃容器代替。

第三步中低温加热还原的条件优选为：在160℃加热1.5-2.5小时，然后在200-300℃加热1-2小时；更进一步优选为：在160℃加热2小时，然后在300℃加热2小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中，草酸微晶既作为模板剂又作为还原剂，制备得到具有管状结构的石墨烯膜电极。

2、以草酸微晶为模板剂，所制备的具有管状结构的石墨烯膜电极，管状结构便于电解质离子在其电极材料内部扩散，以提高石墨烯膜电极有效比表面积的利用。以其为电极材料，组装成超级电容器，具有较高的速率性能。