一種氣泡模板法制備多孔石墨烯電極材料的方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及采用恒電位的方法，以氧化石墨烯混合溶液為電解液，在導(dǎo)電基片上產(chǎn)生氣泡并以此作為氧化石墨烯還原沉積的模板；同時還涉及將該多孔石墨烯電極材料應(yīng)用于超級電容器中。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由碳構(gòu)成的具有單原子層厚度的二維晶體，在已知材料中具有最高的硬度和強(qiáng)度，平面上存在大面積的離域η鍵，η電子可以在平面上自由移動，因而石墨烯具有良好的的電子傳輸性能\石墨烯的室溫電導(dǎo)率約為5X 13W HT1g-1,高于金剛石、碳納米管，比銅的熱導(dǎo)率高出10倍。石墨烯理論比表面積高達(dá)2630!!!?'此外，石墨烯還具有室溫霍爾效應(yīng)、雙極電子場效應(yīng)、優(yōu)異的透光性等獨特性能2。石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)和各種優(yōu)異的物理、化學(xué)性能使得石墨烯在電子器件3、復(fù)合材料4、檢測5和儲能6等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。然而石墨烯片層間具有氫鍵、范德華力等作用，使得片層之間相互吸引，易于堆積從而難以剝離分散，限制了其應(yīng)用。而氧化石墨烯因其表面帶有羥基、羧基等官能團(tuán)，能夠很好溶于溶液中，因此以氧化石墨烯為前驅(qū)體制備石墨烯材料，是一種非常重要的方法。其中，可以通過化學(xué)氧化天然石墨制備氧化石墨烯，再經(jīng)過化學(xué)還原、熱輔助還原、光輔助還原和電化學(xué)還原等還原手段，從而得到導(dǎo)電的化學(xué)轉(zhuǎn)化的石墨烯。其中電化學(xué)還原氧化石墨烯作為一種有效的還原方法，操作簡單、過程可控，廣泛應(yīng)用于制備石墨烯。然而，許多研究者一般采用滴涂的方式將氧化石墨烯滴在電極表面7，再經(jīng)過電化學(xué)還原得到還原的石墨烯，這種方法操作復(fù)雜，不利于大批量制備，此外該方法制備的還原氧化石墨烯結(jié)構(gòu)堆疊，導(dǎo)電性差，從而限制了其應(yīng)用8。基于此，采用電化學(xué)還原的方法將二維的氧化石墨烯構(gòu)筑成高級有序的宏觀功能材料，不僅提供了多種調(diào)控其結(jié)構(gòu)和形貌的手段，而且能夠拓展石墨烯的功能和應(yīng)用。因石墨烯本身優(yōu)異的物理化學(xué)性能以及多孔結(jié)構(gòu)使得電極表面負(fù)載的電活性物質(zhì)易于在電極表面分散和傳遞，三維結(jié)構(gòu)提供了大的比表面積，增加了電子傳遞速率，因此廣泛應(yīng)用于電化學(xué)領(lǐng)域，如能量儲存和轉(zhuǎn)換裝置(鋰離子電池、超級電容器以及燃料太陽能電池等)，因此制備三維多孔的石墨烯電極材料是人們研究的重點。模板法是制備三維多孔材料的重要方法，包括硬模板法和軟模版法，硬模板法通常采用泡沫鎳9、5102球1(1等作為模板，具有形貌規(guī)整、結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點，但是其以犧牲模板為代價，具有制備過程復(fù)雜、實驗條件苛刻、價格昂貴、浪費時間等缺點。相對于硬模板法，軟模板通常以乳液n、氣泡12等作為模板，具有制備過程簡單，價格低廉等優(yōu)點，其中氣泡模板法作為軟模板的一種方法，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于制備三維材料13。氫氣模板法是利用氫氣氣泡作為模板制備多孔材料，它具有價格低廉、制備過程簡單、結(jié)構(gòu)可控以及無需后處理等優(yōu)勢，是一種有效的制備三維多孔材料的方法。其中氣泡的產(chǎn)生、氣泡作為模板制備其他材料以及氣泡模板的去除都是一步完成的。近年來，研究者們采用氣泡模板法制備了許多三維多孔的金屬材料如銅等14，而將其應(yīng)用于制備碳材料很少見。本發(fā)明既基于電化學(xué)還原沉積氧化石墨烯，同時在電化學(xué)沉積過程中利用氣泡模板調(diào)控石墨烯的三維孔結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的石墨烯超級電容器材料的制備方法為先進(jìn)行氧化石墨烯的化學(xué)還原，之后以還原氧化石墨烯的粉末混合一定比例的粘合劑(如Naf1n材料)溶解成糊狀滴涂在導(dǎo)電基底，從而制備可用于超級電容器的石墨烯電極。而與上述傳統(tǒng)方法相比，本專利提出的方法，是通過以導(dǎo)電基底為工作電極電化學(xué)還原氧化石墨烯，從而制備大面積的具有三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯修飾電極，這種方法適用于在多種導(dǎo)電基底如鈦片、銅片、鉬片、鎳片、碳紙等進(jìn)行氧化石墨烯的沉積；同時以電化學(xué)還原過程中產(chǎn)生的氣泡為模板，調(diào)控石墨烯的三維孔結(jié)構(gòu)，使得該電極材料具有高級有序的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。并且本專利提出的方法，可以將電極材料直接沉積在導(dǎo)電基底作為超級電容器中的電極，一步完成、價格低廉、并可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是一種簡單有效經(jīng)濟(jì)的方法。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種氣泡模板法制備多孔石墨烯電極材料及其在超級電容器中的應(yīng)用。解決現(xiàn)有技術(shù)上存在的成本高，步驟復(fù)雜等問題，提供了一種簡單