CN106941050A - 一种石墨烯超级电容器电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯超级电容器电极材料及其制备方法，所述的石墨烯片层之间填充三乙醇胺和对苯二胺复合物。所述的制备方法包括：（1）氧化石墨烯的制备；（2）填充三乙醇胺和对苯二胺复合物的石墨烯电极材料的制备。制备的石墨烯材料解决了石墨烯片层之间的堆叠现象，比表面积高达550 m2/g，比电容达到320F/g,循环10000次仍保持91.5%的比电容。本发明制备的超级电容器电极材料适用于高稳定性、高功率密度的电源场合。本发明的超级电容器电极材料制备方法简单，操作便捷，适合一定规模和工业化生产。

Description

一种石墨烯超级电容器电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器领域，涉及一种用于超级电容器电极材料的石墨烯及其制备方法，属于新能源材料技术领域。
背景技术
近年来，超级电容器作为一种新型的储能器件，具备快速充电、储能大、寿命长、安全可靠的特点，成为最具有应用前景的电化学储能技术之一。超级电容器的研发重点是提高能量密度和功率密度，因此开发结构稳定的高比表面、高导电率电极材料成为了研究热点和难点。石墨烯材料与传统的电极材料相比，具有独特的二维结构和优异的导电性和大表面积特性，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制，在超级电容器电极材料中的应用具有极大潜力。石墨烯基超级电容器具有大功率、快速充放电和循环稳定性强的特点。
但是，将石墨烯单独作为超级电容器电极材料时，石墨烯片层之间容易聚集和堆叠，严重影响了石墨烯在电解质中的分散性和表面可浸润性，导致石墨烯材料的比表面积和离子电导率下降。因此，减少石墨烯片层的聚集和堆叠是获得性能优异的石墨烯基超级电容器的关键。
发明内容
要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种新型的石墨烯超级电容器电极材料，并且该材料的制备方法简单、操作便捷、成本低廉，适用于大规模工业化生产。
技术方案：一种石墨烯超级电容器电极材料，石墨烯片层之间填充三乙醇胺和对苯二胺复合物。
一种石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，所述的制备方法包括下述的步骤：
（1）氧化石墨烯的制备
将鳞片状石墨放入到硝酸钠和浓硫酸的混合物中，在冰水浴条件下均匀磁力搅拌；将高锰酸钾缓慢加入混合溶液中，控制混合溶液温度低于20℃并磁力搅拌1-3h，然后在水浴条件下控制混合溶液温度为35-45℃并磁力搅拌1-2h；再向混合溶液中加入温度为70℃去离子水，最后加入质量百分浓度为30%的双氧水后得到亮黄色混合溶液，用去离子水离心洗涤至pH为6-7后得到氧化石墨烯；
（2）将氧化石墨烯加入到去离子水中超声分散，然后加入三乙醇胺和对苯二胺的混合水溶液，均匀磁力搅拌1-3h后将溶液移入反应釜中，将反应釜移至烘箱中进行水热反应得到石墨烯材料，用去离子水和酒精分别洗涤石墨烯材料，最后放入50-65℃的烘箱中烘干10-15h得到石墨烯电极材料。
优选的，所述的步骤（1）中鳞片状石墨与硝酸钠的质量比为1g:0.9-1.5g，鳞片状石墨与浓硫酸的用量比为1g:80-120mL，鳞片状石墨与高锰酸钾的质量比为1g:5-12g，浓硫酸与70℃去离子水的用量比为1ml:1.8-2.2mL，浓硫酸与质量百分浓度30%双氧水的用量比为1mL:0.2-0.4mL。
优选的，所述的步骤（2）中氧化石墨烯与去离子水的用量比为1mg:0.5-1.2mL，三乙醇胺、对苯二胺和氧化石墨烯的用量比为1mL:4-6mg:4-6mg。
优选的，所述的步骤（2）中水热反应的条件为：从室温加热到100-120°C后保温2-5h，再加热到170-200°C后保温8-12h。
有益效果：本发明制备的石墨烯材料解决了石墨烯片层之间的堆叠现象，比表面积高达550 m2/g，比电容达到320F/g, 循环10000次仍保持91.5%的比电容。本发明制备的超级电容器电极材料适用于高稳定性、高功率密度的电源场合。本发明的超级电容器电极材料制备方法简单，操作便捷，适合一定规模和工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所制备的石墨烯超级电容器电极材料的 TEM图；
图2为实施例2所制备的石墨烯超级电容器电极材料的XPS图；
图3为实施例2所制备的石墨烯超级电容器电极材料的循环伏安曲线图。
具体实施方式
实施例1
（1）氧化石墨烯的制备，将1g鳞片状石墨将入到0.9g硝酸钠和80ml浓硫酸的混合物中，在冰水浴条件下均匀磁力搅拌；将5g高锰酸钾缓慢加入混合溶液中，控制混合溶液温度低于20℃并磁力搅拌1h，然后在水浴条件下控制混合溶液温度35℃并磁力搅拌1h；再向混合溶液中加入176ml温度为70℃去离子水，最后加入32ml质量百分浓度为30%的双氧水后得到亮黄色混合溶液，用去离子水离心洗涤至pH＝6后得到氧化石墨烯。
（2）将100mg氧化石墨烯加入到50ml去离子水中超声分散，然后加入25ml三乙醇胺和66.6mg对苯二胺的混合水溶液，均匀磁力搅拌1h后将溶液移入反应釜中；将反应釜移至烘箱中，先从室温加热到100°C后保温2h，再加热到170°C后保温8h进行水热反应，得到石墨烯材料；用去离子水和酒精分别洗涤石墨烯材料，最后放入50℃的烘箱中烘干10h得到石墨烯电极材料。
经测定，三乙醇胺/对苯二胺复合物填充后的石墨烯超级电容器电极材料没有出现团聚现象，石墨烯的比表面积高达568m2/g，比电容达到298F/g, 循环10000次仍保持92.4%的比电容，表现出优异的电化学性能。图1所示为制备的石墨烯材料的TEM图，可以看出材料呈现典型的片状石墨烯结构，并且片层单薄，没有出现团聚现象。
实施例2
（1）氧化石墨烯的制备，将1g鳞片状石墨将入到1g硝酸钠和100ml浓硫酸的混合物中，在冰水浴条件下均匀磁力搅拌；将8g高锰酸钾缓慢加入混合溶液中，控制混合溶液温度低于20℃并磁力搅拌2h，然后在水浴条件下控制混合溶液温度40℃并磁力搅拌2h；再向混合溶液中加入200ml温度为70℃去离子水，最后加入30ml质量百分浓度为30%的双氧水后得到亮黄色混合溶液，用去离子水离心洗涤至pH＝6.8后得到氧化石墨烯。
（2）将100mg氧化石墨烯加入到100ml去离子水中超声分散，然后加入20ml三乙醇胺和100mg对苯二胺的混合水溶液，均匀磁力搅拌2h后将溶液移入反应釜中；将反应釜移至烘箱中，先从室温加热到110°C后保温4h，再加热到180°C后保温10h进行水热反应，得到石墨烯材料；用去离子水和酒精分别洗涤石墨烯材料，最后放入55℃的烘箱中烘干12h得到石墨烯电极材料。
经测定，三乙醇胺/对苯二胺复合物填充后的石墨烯超级电容器电极材料没有出现团聚现象，石墨烯的比表面积高达550m2/g，比电容达到320F/g, 循环10000次仍保持91.5%的比电容，表现出优异的电化学性能。图2所示为制备的石墨烯材料的XPS图，可以看出材料中出现明显的N峰值，说明三乙醇胺/对苯二胺复合物成功的填充到了石墨烯材料中。
实施例3
（1）氧化石墨烯的制备，将1g鳞片状石墨将入到1.5g硝酸钠和120ml浓硫酸的混合物中，在冰水浴条件下均匀磁力搅拌；将12g高锰酸钾缓慢加入混合溶液中，控制混合溶液温度低于20℃并磁力搅拌3h，然后在水浴条件下控制混合溶液温度45℃并磁力搅拌2h；再向混合溶液中加入216ml温度为70℃去离子水，最后加入24ml质量百分浓度为30%的双氧水后得到亮黄色混合溶液，用去离子水离心洗涤至pH＝7后得到氧化石墨烯。
（2）将100mg氧化石墨烯加入到120ml去离子水中超声分散，然后加入16.6ml三乙醇胺和150mg对苯二胺的混合水溶液，均匀磁力搅拌3h后将溶液移入反应釜中；将反应釜移至烘箱中，先从室温加热到120°C后保温5h，再加热到200°C后保温12h进行水热反应，得到石墨烯材料；用去离子水和酒精分别洗涤石墨烯材料，最后放入65℃的烘箱中烘干15h得到石墨烯电极材料。
经测定，三乙醇胺/对苯二胺复合物填充后的石墨烯超级电容器电极材料没有出现团聚现象，石墨烯的比表面积高达570m2/g，比电容达到289F/g, 循环10000次仍保持91.8%的比电容，表现出优异的电化学性能。图3所示为制备的石墨烯材料的CV曲线图，可以看出在不同的扫描速率下，石墨烯均获得了优异的比电容值。

Claims (5)

1.一种石墨烯超级电容器电极材料，其特征在于石墨烯片层之间填充三乙醇胺和对苯二胺复合物。
2.一种石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括下述的步骤：
（1）氧化石墨烯的制备
将鳞片状石墨放入到硝酸钠和浓硫酸的混合物中，在冰水浴条件下均匀磁力搅拌；将高锰酸钾缓慢加入混合溶液中，控制混合溶液温度低于20℃并磁力搅拌1-3h，然后在水浴条件下控制混合溶液温度为35-45℃并磁力搅拌1-2h；再向混合溶液中加入温度为70℃去离子水，最后加入质量百分浓度为30%的双氧水后得到亮黄色混合溶液，用去离子水离心洗涤至pH为6-7后得到氧化石墨烯；
（2）将氧化石墨烯加入到去离子水中超声分散，然后加入三乙醇胺和对苯二胺的混合水溶液，均匀磁力搅拌1-3h后将溶液移入反应釜中，将反应釜移至烘箱中进行水热反应得到石墨烯材料，用去离子水和酒精分别洗涤石墨烯材料，最后放入50-65℃的烘箱中烘干10-15h得到石墨烯电极材料。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于所述的步骤（1）中鳞片状石墨与硝酸钠的质量比为1g:0.9-1.5g，鳞片状石墨与浓硫酸的用量比为1g:80-120mL，鳞片状石墨与高锰酸钾的质量比为1g:5-12g，浓硫酸与70℃去离子水的用量比为1ml:1.8-2.2mL，浓硫酸与质量百分浓度30%双氧水的用量比为1mL:0.2-0.4mL。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于所述的步骤（2）中氧化石墨烯与去离子水的用量比为1mg:0.5-1.2mL，三乙醇胺、对苯二胺和氧化石墨烯的用量比为1mL:4-6mg:4-6mg。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于所述的步骤（2）中水热反应的条件为：从室温加热到100-120°C后保温2-5h，再加热到170-200°C后保温8-12h。
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