[发明专利]一种基于类普鲁士蓝/还原石墨烯薄膜的非对称超级电容器的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于类普鲁士蓝/还原石墨烯薄膜的非对称超级电容器的制备方法，包括基于Hummers法制备氧化石墨烯，制备还原石墨烯，制备具有不同中心金属原子的类普鲁士蓝，制备还原石墨烯分散液和类普鲁士蓝分散液，使用真空抽滤方法制备具有层层堆垛结构的还原石墨烯与类普鲁士蓝的复合薄膜，最后使用制备得到的还原石墨烯与类普鲁士蓝的复合薄膜作为正负极材料，制备非对称超级电容器。使用本发明的方法制备得到的类普鲁士蓝/石墨烯复合材料薄膜具有层层堆垛结构，解决了石墨烯基电极在制备过程中易发生堆叠现象的问题，结合了石墨烯和类普鲁士蓝两种材料的优点，使它们产生更好的协同效应，同时制备方法简易且成本低廉。

技术领域

本发明涉及超级电容器的制造技术领域，尤其涉及一种基于类普鲁士蓝/还原石墨烯薄膜的非对称超级电容器的制备方法。

背景技术

超级电容器是目前极具应用前景的电化学储能技术之一，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitor)，是一种主要依靠双电层电容和氧化还原电容来进行电荷存储的新型储能器件，具有快速充放电的特点，表现出超高的功率密度，其容量可达几百甚至上千法拉。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体,是一种蜂窝状的六角平面晶体，其厚度只有0.3354nm,是目前世界上发现最薄的材料。石墨烯具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质：强度达130GPa、热导率约5000J/(m·K·s)、禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×10⁵cm²/(V·s)、高透明度(约97.7％)、比表面积理论计算值为2630m²/g；石墨烯的杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列性质。石墨烯因其独特的二维平面结构，具有比表面积大、电子导电性高、力学性能好的特点而成为一种理想的电容材料。但是石墨烯基电极在制备过程中易发生堆叠现象，导致电化学活性位点数量下降，影响其电容性能，因而需要对石墨烯进行修饰或与其他材料形成复合电极材料。

类普鲁士蓝(MHCF，M代表金属原子，HCF代表六铁氰根(hexa-cyanoferrate))是一种配位聚合物，其因与普鲁士蓝(Prussian Blue，FeHCF)结构类似而得名。普鲁士蓝其骨架结构以亚铁离子和铁离子为接头，通过CN-作为连接器，共同组成了空间立方结构，无限延伸而成。而类普鲁士蓝与普鲁士蓝在结构上表现出的不同点在于其亚铁离子被其他过渡金属离子所取代，从而表现出一定的差异性。类普鲁士蓝具有独特的三维网状结构，表现出丰富的孔道结构；它还与交联的半导体聚合物类似，结构稳定且有较髙的电化学可逆性，可以用作载流子存储的媒介。作为一类具有开放离子通道、多种氧还反应位点、化学稳定的晶格结构,类普鲁士蓝具有潜在的高电压、高容量和循环稳定性质,原则上是一种优异的储能材料。类普鲁士蓝虽然具有丰富的孔道结构和高的电化学活性，但是因为其表现出较低的导电性，限制了载流子的传输。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于类普鲁士蓝/还原石墨烯薄膜的非对称超级电容器的制备方法，制备出具有层层堆垛结构的类普鲁士蓝/石墨烯复合材料薄膜，解决了石墨烯基电极在制备过程中易发生堆叠现象的问题，结合了石墨烯和类普鲁士蓝两种材料的优点，使它们产生更好的协同效应；同时制备方法简易且成本低廉。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是开发一种简易、低成本的还原石墨烯与类普鲁士蓝的复合电极材料的制备方法，解决石墨烯基电极在制备过程中易发生堆叠和类普鲁士蓝低导电性的问题，使两种材料发挥更好的协同效应。使用该复合电极材料制备的非对称全固态超级电容器，表现出优异的电容性能，比面积电容可达39.3mF·cm^-2，证明此类材料在超级电容器具有很大的应用潜力。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于类普鲁士蓝/还原石墨烯薄膜的非对称超级电容器的制备方法，包括以下步骤：