[发明专利]一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用。本发明成功配制了具有良好印刷适性的石墨烯/氧化铁基功能油墨，并通过叠印和印刷套准技术，实现了石墨烯/氧化铁基柔性电极的可控制备。进一步实现了图案可定制、基底可变换、性能可控制的柔性超级电容器和器件阵列的直接印刷制备。本发明制备的石墨烯/氧化铁基柔性超级电容器具有14.3‑119.4mF*cm^‑2(0.1mA*cm^‑2)的比电容，在0.04mW*cm^‑2的功率密度下可以保持1‑10.6μWh*cm^‑2的能量密度。制备的柔性超级电容器在200次弯曲循环测试后性能没有下降。所制备的器件阵列可为温度计供电，有着较大的可穿戴应用潜力。

技术领域

本发明涉及功能油墨技术领域，尤其涉及一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用。

背景技术

随着新型通信技术和智能移动终端的快速发展，可穿戴电子器件已经展示出了庞大的市场需求和广阔的应用前景。为了满足柔性可穿戴电子设备的使用要求，必须设计与可穿戴设备相兼容的柔性能源器件。柔性超级电容器具有高的功率密度、快速的充/放电能力和较长的使用寿命，具有较高的应用潜力。而且其通常使用水系电解质，一般不存在爆炸等风险，可以满足可穿戴电子设备对于高安全性的要求。

目前已有的用于制备柔性超级电容器的微纳加工方法(如光刻法、激光划线、掩模版法、等离子体刻蚀等)通常涉及多个复杂的过程，这些过程会导致制备成本增加、效率降低。而且大多传统的微纳加工技术有着基底的限制，需要使用刚性基底，难以在柔性薄膜基底上实现制备，严重限制了柔性超级电容器的产业化应用前景。与其它技术相比，印刷电子技术可以低成本、大批量地制备图案化的柔性电子器件，具有显著的应用优势。

配制印刷适性良好和电化学性能较高的功能油墨是利用印刷电子技术制备柔性超级电容器的关键。由于目前可用于印刷制备柔性超级电容器的功能油墨种类较少，因此亟须开发一系列可用于制备柔性超级电容器的功能油墨。另外，由于柔性超级电容器的进一步应用(如制备柔性超级电容器阵列和非对称柔性超级电容器)需要制备性能、形状可控的柔性电极，而这一技术难题还亟待解决。因此，可控的柔性印刷制备技术也需要被进一步研究。

发明内容

针对上述问题，为实现图案化、可集成化的可控制备高性能印刷柔性超级电容器，现提供一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用。

上述方案的有益效果是：

1)本发明仅使用六水合氯化铁、氧化石墨烯和去离子水作为原料，未添加其它试剂控制形貌，以简单的水热法一步实现氧化铁的合成以及与石墨烯的复合，制备了比电容达到703.91F g^-1(1A g^-1)的石墨烯/氧化铁复合材料；上述合成步骤具有低成本、步骤简单、环境友好等优点，适合大批量工业化应用；

2)本发明提供的石墨烯/氧化铁复合材料中氧化石墨烯作为Fe₂O₃的结晶位点，其与Fe³⁺之间的强相互作用可以控制Fe₂O₃晶体的生长，使在其未添加模板剂的条件下形成形貌均一、粒径尺寸较小(50-100nm)、结晶程度较好的球状纳米颗粒；上述复合材料中氧化铁颗粒作为层间间隔物可有效抑制石墨烯纳米片间的聚集和堆叠现象，同时由于其与石墨烯纳米片通过C-O-Fe³⁺键相连接，使其被锚定在纳米片上，很大程度上也避免了纳米颗粒之间的聚集；

3)本发明使用石墨烯/氧化铁电极材料作为活性物质，乙基纤维素作为连接料，乙炔黑作为导电剂，乙醇作为溶剂，制备获得了具有良好印刷适性的功能油墨，该功能油墨可通过丝网印刷技术在多种基底上制备形成柔性电极，解决了目前石墨烯基材料难以配制成油墨的问题；而且，由于本发明配制的油墨溶剂为易挥发性溶剂，因此所印刷上的墨层可以在室温快速干燥，实现连续反复的叠印，免去烘干的步骤；