高導電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其製備方法與流程
2023-11-30 04:55:16 1
本發明涉及一種高導電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其製備方法，屬於超級電容器電極材料製備領域。
背景技術：
：由於化石燃料資源短缺和廢氣汙染等問題越來越嚴重，一些新的儲能裝置例如超級電容器備受關注，其具有功率密度高、循環壽命長（大於100000次）、可快速充電/放電等優點。目前，可根據超級電容器的電容大小不同，將其應用在電動汽車，無線電通訊技術，新能源等領域。然而，超級電容器的能量密度相對較低，需要在不犧牲功率密度和循環穩定性的前提下提高其能量密度。根據儲能機理，超級電容器可分為兩種基本類型：雙電層電容器和法拉第準電容器。雙電層電容器通過離子的靜電吸附在電極材料的表面儲存能量，而法拉第準電容器則通過快速和可逆的氧化還原反應將電荷儲存在本體材料中。碳材料例如碳納米管，石墨烯，碳氣凝膠等具有大的表比面積，已被廣泛的應用於雙電層電容器中。目前，石墨烯作為一個熱點材料，研究者致力於將石墨烯製備成可用於超級電容器的電極材料。然而，二維的石墨烯片層之間因為存在範德華力而趨向於堆疊，重新形成石墨。這極大地阻礙了石墨烯在超級電容器中的應用與發展。因此，構建三維結構的石墨烯無疑是一個新的研究方向。石墨烯水凝膠是一種基於三維多孔結構的石墨烯材料，具有較高的比表面積和良好的導電性。石墨烯水凝膠不僅能夠有效的防止石墨烯片層的堆疊，也有利於電解質離子的快速擴散和傳輸，大大提高了石墨烯對於雙電層電容器的電容性能的貢獻。目前，製備石墨烯水凝膠的方法主要有一步水熱法和化學還原法等。但鑑於目前的合成條件過於複雜或嚴苛，因此需要尋找一種更高效、簡單的方法。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種高導電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其製備方法。本發明採用的技術方案如下：一種高導電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其製備方法，包括如下步驟：步驟（1），將氧化石墨烯分散液和葡萄糖混合後並超聲分散均勻，得到氧化石墨烯/葡萄糖分散液；步驟（2），將氧化石墨烯/葡萄糖分散液置於反應釜中並在120±10℃下反應11-13h，然後自然冷卻至室溫，即得到所述的三維純粹石墨烯水凝膠材料。本發明所述步驟中，氧化石墨烯分散液的濃度為2mg/mL。本發明所述步驟中，氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯與葡萄糖的質量比為1:1。本發明所述步驟中，超聲分散時間為10min以上。與現有技術相比，本發明具有以下優點：1、本發明通過一步水熱法成功地合成了獨立的高導電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料。2、本發明對反應的溫度和時間作了改善，葡萄糖既可以作為還原劑，也作為形貌導向劑。3、通過該發明製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料具有良好的電導率、較高的比電容值和較好的循環穩定性，其比電容值在三電極體系可達到384.6F/g。在三明治式二電極體系中，其比電容可達213.9F/g。相比於其他方法製備的純粹的石墨烯凝膠材料而言具有較高的比電容值。附圖說明圖1為本發明實施例5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的掃描電鏡圖（SEM）。圖2為本發明實施例1、2、3、4、5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在三電極體系中的循環伏安圖（a）及不同反應時間製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的恆電流充放電曲線（b）。圖3為本發明實施例1、2、3、4、5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在三明治式二電極體系中的循環伏安圖（a）及恆電流充放電曲線圖（b）。圖4為本發明實施例1、2、3、4、5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料流程及測試示意圖。具體實施方式氧化石墨烯由於其表面含有羥基、羧基等官能團而具有較好的水溶性能，可藉此性能在水相中進行反應。一定濃度的氧化石墨烯在合適的條件下會出現凝膠化現象，從而製得形態獨立的石墨烯水凝膠。一步水熱法簡單易操作，但相對而言需要高溫、高壓、長時間等條件，因此本發明方法中加入了葡萄糖，不僅可以還原氧化石墨烯，而且降低了反應溫度，縮短了反應時間。另外，通過簡單的切割、壓片可以製備工作電極，很好地解決了工作電極的製備問題。本發明所述的高導電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料的製備方法，包括如下步驟：1）將石墨氧化物加入到水中，通過超聲分散2h配成濃度為2mg/mL的氧化石墨烯分散液；2）加入質量比為1:1的葡萄糖，超聲10min以上，保證葡萄糖完全溶解並均勻分散在氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯/葡萄糖分散液；3）將步驟2）氧化石墨烯/葡萄糖分散液移至聚四氟乙烯內膽中，置於反應釜中並在120℃下反應12h，然後自然冷卻至室溫，即得到所述的獨立的圓柱狀三維純粹石墨烯水凝膠；4）三電極電池組裝：將步驟3）製得的水凝膠用小刀切下一片，壓在清洗乾淨的鎳泡沫電極上，與參比電極和對電極共同組成三電極體系，在電極間注入鹼性電解質；5）二電極電池組裝：將步驟3）製得的水凝膠用小刀切下兩片，分別附著在兩片Pt上，並用隔膜隔開，用玻璃片固定，組成三明治式二電極電池，在電極間注入鹼性電解質；6）電化學性能測試：將步驟4、5）組成的電池與CHI660電化學工作站連接，採用循環伏安(CV)，恆電流充放電(ConstantCurrentChargeorDischarge)，電化學阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）等技術測試其電化學性能。實施例：將石墨氧化物與水混合併超聲分散2h形成均勻的氧化石墨烯（GO）分散液，濃度為2mg/mL，將等質量比例的葡萄糖（Glu）加入到上述氧化石墨烯分散液中，超聲10min以上得到均勻的氧化石墨烯/葡萄糖分散液（GO-Glu）；將GO-Glu移至聚四氟乙烯內膽中，置於反應釜中並在120℃下反應6-15h，然後自然冷卻至室溫，即得到所述的獨立的三維純粹石墨烯水凝膠；將製得的水凝膠切割、壓片製成工作電極，與參比電極和對電極共同組成三電極電池，在電極間注入5mol/L的KOH溶液；將組成的電池與CHI660電化學工作站連接，如圖4所示。應用循環伏安(CycleVoltammetry,CV)，恆電流充放電(ConstantCurrentChargeorDischarge,GCD)，電化學阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）等技術測試其電化學性能。工藝步驟如上述實施例，其它工藝參數優選如下表所示：實例例序號12345反應時間（h）68101215電導率（S/m）34.052.966.795.312.9圖1為本發明實施例5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的掃描電鏡圖（SEM）。從掃描電鏡圖我們可以清晰的看到柔韌的石墨烯片相互聯結構架形成三維多孔狀結構；圖2為本發明實施例1、2、3、4、5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在三電極體系中的循環伏安圖（a）及不同反應時間製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的恆電流充放電曲線（b）。從圖中我們可以看到反應時間為12h製備的石墨烯水凝膠材料的性能最佳。圖3為本發明實施例1、2、3、4、5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在二電極體系中的循環伏安圖（a）及恆電流充放電曲線（b）。圖4為本發明實施例1、2、3、4、5製備的三維純粹石墨烯水凝膠材料流程及測試的示意圖。當前第1頁1 2 3