[发明专利]一种制备高纯石墨烯薄膜的方法及电极和电容器

说明书

本发明专利公布了一种制备高纯石墨烯薄膜的方法及电极和电容器，制备GO水溶液，将两片硅片分别作为工作电极和对电极，对工作电极和对电极进行直流供电，采用电泳法，实现氧化石墨烯薄膜在工作电极上的沉积，金属离子沉积在对电极，并通过高温退火，可直接在硅基底上得到石墨烯薄膜。最终得到高纯度、高电导率和牢固界面接触的高纯石墨烯薄膜。本发明设计合理，原料成本低，设备简单，工艺简便，能耗低，易于操作。

技术领域

本发明属于电容器电极材料制备领域，具体涉及一种制备高纯石墨烯薄膜的方法及电极和电容器。

背景技术

对于高频脉冲能量收集设备，它需要高达几千赫兹的更高工作频率，才能与压电或摩擦电发电机输出的脉冲电流的速度匹配。由于脉冲电流强度通常为pA级或μA级，超级电容器 (Electrochemcial Capacitors，简称EC)的μC级电容即可很好地满足其需求。

原则上，由于超快的充电/放电能力，基于石墨烯的EC具有以千赫兹频率工作的潜力，但是实际速率取决于载流子(包括电解液中的离子和电极中的电子)的迁移速率。众所周知，离子迁移速率(νion)主要受限于电极材料的孔结构。例如，垂直导向的石墨烯/碳纳米管电极具有较小的离子扩散阻力(即高νion)，其工作频率在–75℃时可以提高到～2.5kHz。

众所周知，电极材料杂质会极大地影响其电导率、界面电阻以及器件的稳定性，例如少量的金属杂质会引起电阻/泄漏电流的增加，缩短器件寿命。目前石墨烯材料的制备方法都会在石墨烯材料中引入金属杂质(如Fe，Mn，Cu和Cr)，这些杂质大都来自于Cu/Ni生长基底或石墨等原材料。

申请号为201610213661.1的发明专利，采用离子交换法对氧化石墨烯进行纯化，此技术可以将氧化石墨烯中的金属杂质含量降至10ppm,但是其获得的氧化石墨烯主要以固体或粉体材料存在，而不能直接获得高纯的膜电极。此外，成本高、纯化前后的准备工作繁多，如纯化前要盐析洗涤，纯化之后还要电除盐技术深度纯化。

申请号为201210135516.8的发明专利公开的纯化方法虽然也能使杂质总含量降低到 5mg/kg～0.01mg/kg以下，同时能够保持用于超级电容器的碳纳米电极材料所需要的孔结构与堆积密度，但是纯化的程序比较繁琐、耗时长，包括在液相中除去大部分金属杂质，冷冻干燥，高温弱氧化性气体处理，在液相中再次除去残留杂质，冷冻干燥，高温惰性气体或高温真空中挥发除去残留的金属杂质等步骤。这些结果表明，有效去除石墨烯材料中的金属杂质仍然是一个挑战。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种制备高纯石墨烯薄膜的方法及电容器，该方法步骤简单，金属杂质去除效率高，所得到的高纯石墨烯薄膜具有高纯度、高电导率和牢固的界面接触等优点。

本发明的技术方案是：一种制备高纯石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

GO水溶液制备：将石墨、NaNO₃和H₂SO₄在冰浴中混合并搅拌均匀，将KMnO₄缓慢添加至低于0℃的混合物中，形成混合溶液A，将混合溶液A搅拌若干小时，加水升温，再加入水和H₂O₂溶液得到混合溶液B，将混合溶液B过滤，将过滤物用温水洗涤，再搅拌，得到 GO水溶液；

硅片清洗：将硅片清洗干净；

薄膜沉积：将两片硅片平行放置在GO水溶液中，两片硅片分别作为工作电极和对电极，将工作电极与直流电源的正极连接，将对电极与直流电源的负极连接，对工作电极和对电极进行通电，实现在硅片表面的氧化石墨烯薄膜沉积；

退火处理：沉积的氧化石墨烯薄膜在高温下进行退火处理，得到石墨烯薄膜。