CN105185600B - 一种电泳制备石墨烯电极材料的方法 - Google Patents

一种电泳制备石墨烯电极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，包括：将氧化石墨分散于水中，超声，得到氧化石墨溶液；将银丝与工作电极连接置于氧化石墨溶液中，以铂电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，恒定电压电泳沉积得到氧化石墨烯水凝胶；将氧化石墨烯水凝胶浸泡在硫酸钠中，取出，光还原，即得。本发明的制备方法简单，对生产设备要求低，易于工业化生产；制备得到的石墨烯电极材料电导率高，比电容大，化学性能稳定。

Description

一种电泳制备石墨烯电极材料的方法
技术领域
本发明属于电极材料的制备领域，特别涉及一种电泳制备石墨烯电极材料的方法。
背景技术
石墨烯是目前已知最薄，硬度最大的二维纳米材料，自石墨烯问世以来，它便以优良的机械性能和电学性能吸引了众多学者的关注。研究表明，石墨烯在常温下电荷迁移率大于1500cm2/V·s，电阻率大约只有1Ω·m。因此，石墨烯是制备石墨烯基超级电容器电极材料的理想材料。
目前，石墨烯的制备方法主要有化学还原氧化石墨法、热还原氧化石墨烯法、石墨烯水凝胶法和活化石墨烯法。化学还原氧化石墨法是目前主流的生产方法，通过这种方式得到石墨烯电极拥有较高的电化学性能和高比表面积，但与理论值相比，在性能上仍然有很大的提升空间。热还原氧化石墨烯法是通过热剥离氧化石墨的方式得到还原性石墨烯材料。用该方法得到的石墨烯比表面积最大为925m2/g，在100mV/s的电位扫描速率下，比电容大约为120F/g。该技术最大的难题在于高温剥离难于控制，能源消耗大。石墨烯水凝胶法是利用还原剂在氧化石墨悬浮液中进行还原，反应得到三维自组装石墨烯水凝胶。产物内部为三维网络结构，分布均匀，孔径大小在亚微米级到数微米之间，产物电导率优良，机械性能强。活化石墨烯法是用电化学技术或化学修饰法将碳纳米材料活化，经过活化的材料极大增加了比表面与比电容。后面两种方法虽然得到的石墨烯性能优良，但是由于工艺技术复杂，无法直接在工业上进行大规模的生产。
因此，寻找一种制备高电导率，高比表面积，高稳定性，低成本的石墨烯基电极材料的方法是提高超级电容器电容的研究重点，目前尚未看到用电泳法在银丝上来制备石墨烯电极材料的方法的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，该方法制备的石墨烯基电极材料电导率高，比电容大，化学性能稳定。
本发明的一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，包括：
(1)将氧化石墨分散于水中，超声，得到氧化石墨溶液；
(2)将银丝与工作电极连接置于步骤(1)中的氧化石墨溶液中，以铂电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，恒定电压电泳沉积得到氧化石墨烯水凝胶；其中，电压为4～8V；
(3)将步骤(2)中的氧化石墨烯水凝胶浸泡在硫酸钠中，取出，光还原，得到石墨烯电极材料。
所述步骤(1)中超声时间为0.5～3h。
所述步骤(1)中氧化石墨溶液的浓度为0.5～4mg/mL。
所述步骤(2)电泳沉积的时间为2～5min。
所述步骤(3)中硫酸钠溶液的浓度为1mol/L，浸泡时间为1h。
所述步骤(3)中光还原为氙灯光照还原，还原时间为6～12h。
本发明阐述的电泳法制备的石墨烯材料具有优异的力学性能与电学性能，符合超级电容器电极材料的性能需求。
通过调节不同浓度的石墨烯溶液浓度和电泳沉积时间，可得到不同品质的石墨烯基电极材料。
有益效果
本发明的制备方法简单，对生产设备要求低，易于工业化生产；制备得到的石墨烯电极材料电导率高，比电容大，化学性能稳定。
附图说明
图1为发明中三电极法制备石墨烯电极材料的示意图；
图2为实施例1中电泳沉积得到的石墨烯电极材料；
图3为实施例1中制备的石墨烯电极材料的SEM图片；
图4为实施例1中石墨烯电极材料的循环伏安曲线；
图5为实施例2中石墨烯电极材料的SEM图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
室温下称取0.20g氧化石墨，加入100mL去离子水得到2mg/mL的溶液，超声处理2h形成分散均匀的溶液。选取直径为0.5mm的银丝长5cm，在电化学工作站CHI760上用三电极的方法(如图1)，加恒定电压8V，电泳沉积时间为2min，得到氧化石墨烯水凝胶。将得到的氧化石墨烯水凝胶取出浸泡在1mol/L的硫酸钠溶液1h，取出放置在氙灯下进行光还原6h，得到石墨烯电极材料(如图2)。图3为本实施例制备的石墨烯电极材料的扫描电镜图片，可以看出：石墨烯的形貌整体呈现褶皱状态，表面光滑平整无脱落现象，表明机械强度良好，在沟壑深处存在细微的孔，孔径大约为10μm，有利于电解液进入到材料内部结构，充分发挥双电层性能。图4为制备电极材料的循环伏安曲线图，可以看出：该石墨烯电极材料在充电和放电的过程存在氧化还原峰，说明其具有很高的电荷存储能力，通过计算得到比电容C＝218.8F/g。
实施例2
室温下称取0.20g氧化石墨，加入100mL去离子水得到2mg/mL的溶液，超声处理2h形成分散均匀的溶液。选取直径为0.5mm的银丝长5cm，在电化学工作站CHI760上用三电极的方法(如图1)，加恒定电压4V，电泳沉积时间为2min，得到氧化石墨烯水凝胶。将得到的氧化石墨烯水凝胶取出浸泡在1mol/L的硫酸钠溶液1h，取出放置在氙灯下进行光还原6h，得到石墨烯电极材料。图5为本实施例制备的石墨烯电极材料的扫描电镜图片，可以看出：石墨烯的形貌整体呈现褶皱状态，相对实例1(图3)，石墨烯片层结构的堆叠松散，容易脱落，由此可知，电泳沉积的电压高时会得到结构较好、性能更稳定的石墨烯电极材料。

Claims (6)

1.一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，包括：
(1)将氧化石墨分散于水中，超声，得到氧化石墨溶液；
(2)将银丝与工作电极连接置于步骤(1)中的氧化石墨溶液中，以铂电极为对电极、Ag/AgCl为参比电极，恒定电压电泳沉积得到氧化石墨烯水凝胶；其中，电压为4～8V；
(3)将步骤(2)中的氧化石墨烯水凝胶浸泡在硫酸钠中，取出，光还原，得到石墨烯电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中超声时间为0.5～3h。
3.根据权利要求1所述的一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化石墨溶液的浓度为0.5～4mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)电泳沉积的时间为2～5min。
5.根据权利要求1所述的一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中硫酸钠溶液的浓度为1mol/L，浸泡时间为1h。
6.根据权利要求1所述的一种电泳制备石墨烯电极材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中光还原为氙灯光照还原，还原时间为6～12h。
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