CN109243679B - 一种石墨烯改性金属电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石墨烯改性金属电极及其制备方法，其中，所述制备方法包括步骤：将石墨烯粉末溶解在有机溶剂中，制得石墨烯溶液；对金属电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的金属电极；将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极；采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，得到石墨烯改性金属电极。本发明提供的制备方法简单快速易实现，且制得的石墨烯改性金属电极中，石墨烯均匀地吸附在所述金属电极表面，所述石墨烯的黏结紧密度非常高，两者之间不会产生间隙，即石墨烯的利用率极高，能够显著提升金属电极的导电性能。

Description

一种石墨烯改性金属电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及电极制备领域，尤其涉及一种石墨烯改性金属电极及其制备方法。

背景技术

自从2010年英国曼彻斯特大学的两位教授因为首次成功得到稳定的石墨烯而获得诺贝尔物理奖以来，石墨烯作为一种特殊的材料得到大规模研究与应用。理论上的完美石墨烯是一种单分子层二维晶体，其具有已知材料最高的强度以及优异的导电性和导热性，在电学、光学、磁学、力学、化学、生物学等方面都有着令人瞩目的潜力。

现有技术通常采用在衬底电极表面涂覆石墨烯的方式来增强电极的导电性能。如图1所述，先在衬底电极表面涂覆石墨烯材料，然后在所述衬底电极表面涂覆一层胶黏剂，通过固化所述胶黏剂使石墨烯材料固定在衬底电极表面，从而制得石墨烯改性后的衬底电极。然而，由于在涂覆胶黏剂的过程中，会使得涂覆在衬底电极表面上的部分石墨烯与衬底电极发生脱离，直接悬浮在胶黏剂中，如图2所示，所述悬浮在胶黏剂中的石墨烯没有与衬底电极接触，即不能够存储电荷，这导致石墨烯的利用率较低，从而使得衬底电极的导电性能不能得到明显的提升。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯改性金属电极及其制备方法，旨在解决现有技术制备的石墨烯改性后的衬底电极，由于石墨烯利用率较低，导致衬底电极的导电性能得不到明显提升的问题。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯粉末溶解在有机溶剂中，制得石墨烯溶液；

对金属电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的金属电极；

将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极；

采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，得到石墨烯改性金属电极。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，所述金属电极材料为铁、钴、镍单质及其氧化物中的一种或多种。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，所述金属电极为金属薄膜电极、金属杆状电极或金属条状电极中的一种。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，所述有机溶剂为乙醇。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，对金属电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的金属电极的步骤包括：

在所述金属电极上缠绕绝缘导线，通入直流电，经过10-30min后，制得具有磁吸附能力的金属电极。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极的步骤包括：

将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中并搅拌，使石墨烯均匀地吸附在金属电极表面，经过8-15min后，取出所述金属电极；

对所述金属电极进行干燥处理，得到表面吸附有石墨烯的金属电极。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，所述搅拌速度为160-120 r/min。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，所述离子隔膜为聚烯烃类隔膜。

所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其中，所述离子隔膜材料为聚乙烯或聚丙烯中的一种。

一种石墨烯改性金属电极，其中，采用所述制备方法制备得到。

有益效果：本发明提供一种石墨烯改性金属电极的制备方法，通过将具有磁吸附能力的金属电极浸没在石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极，采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，即可制得石墨烯改性金属电极。本发明提供的制备方法简单快速易实现，且制得的石墨烯改性金属电极中，石墨烯均匀地吸附在所述金属电极表面，所述石墨烯的黏结紧密度非常高，两者之间不会产生间隙，即石墨烯的利用率极高，能够显著提升金属电极的导电性能。

附图说明

图1为现有技术制备石墨烯改性金属电极的示意图。

图2为现有技术制备的石墨烯改性金属电极的结构示意图。

图3为本发明一种石墨烯改性金属电极的制备方法较佳实施例的流程图。

图4为本发明制备的一种石墨烯改性金属电极较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种石墨烯改性金属电极及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术通常采用依次在衬底电极表面涂覆石墨烯材料和胶黏剂的方式来制备石墨烯改性后的衬底电极。然而，这种制备方式中，由于胶黏剂的涂覆过程中会使得衬底电极表面上的部分石墨烯与衬底电极发生脱离，直接悬浮在胶黏剂中，如图2所示，所述悬浮在胶黏剂中的石墨烯没有与衬底电极接触，即不能够存储电荷，这导致石墨烯的利用率较低，从而使得衬底电极的导电性能不能得到明显的提升。

基于现有技术所存在的问题，本发明提供一种石墨烯改性金属电极的制备方法，如图3所示，其中，包括步骤：

S10、将石墨烯粉末溶解在有机溶剂中，制得石墨烯溶液；

S20、对金属电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的金属电极；

S30、将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极；

S40、采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，得到石墨烯改性金属电极。

具体来讲，本发明利用石墨烯能被磁吸附的原理，将具有磁吸附能力的金属电极浸没在石墨烯溶液中，使所述石墨烯均匀地吸附在所述金属电极表面，然后采用离子隔膜对所述金属电极进行包裹，从而制得石墨烯改性金属电极。

石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），石墨烯由于其自身结构使其具有优良的导电性能。因此，本发明通过对金属电极进行改性处理，使具有优异导电性能的石墨烯吸附到所述金属电极表面，从而有效提升金属电极的导电性能。

本发明提供的制备方法简单快速易实现，其制备时间比现有技术所用时间节约了50%以上；且本发明制得的石墨烯改性金属电极中，石墨烯均匀地吸附在所述金属电极表面，所述石墨烯的黏结紧密度非常高，两者之间不会产生间隙，即石墨烯的利用率极高（石墨烯利用率较现有技术提升了40%以上），因而能够显著提升金属电极的导电性能。

在一种优选的实施方式中，将石墨烯溶解在乙醇溶剂中，制得石墨烯溶液。石墨烯在有机溶剂中表现出良好的溶解性，本实施例优选将石墨烯粉末溶解在乙醇中，由于乙醇易挥发，因此后期在干燥处理过程中可以轻松地去除乙醇，使得最终制备的石墨烯改性金属电极中不含杂质，从而可提升金属电极的导电性能。

在一种优选的实施方式中，所述金属电极材料为铁、钴、镍单质及其氧化物中的一种或多种，但不限于此。具体来讲，所述金属电极材料为可以通过磁化处理从而获得磁吸附能力的材料，因此本实施例优选价格便宜、易磁化且导电性较佳的铁或氧化铁或包括铁元素的合金材料作为所述金属电极材料。

在一种优选的实施方式中，所述金属电极为金属薄膜电极、金属杆状电极或金属条状电极中的一种。本实施例可对多种形状的金属电极进行改性处理，以获得具有优异导电性能的石墨烯改性金属电极。优选所述金属电极为金属薄膜电极，由于金属薄膜电极的比表面积较大，且所述金属薄膜电极在经过磁化处理后，其正反两面均可吸附石墨烯，从而更有利于提升石墨烯改性金属电极的导电性能。

在一种优选的实施方式中，对金属电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的金属电极的步骤包括：在所述金属电极上缠绕绝缘导线，通入直流电，经过10-30min后，制得具有磁吸附能力的金属电极。电流磁化作为一种常见的金属磁化方式，可使金属获得一定的磁性。

在一种优选的实施方式中，将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极的步骤包括：

将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中并搅拌，使石墨烯均匀地吸附在金属电极表面，经过8-15min后，取出所述金属电极；

对所述金属电极进行干燥处理，得到表面吸附有石墨烯的金属电极。

优选的，将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中并并以160-120 r/min的搅拌速度搅拌，使金属电极表面充分吸附所述石墨烯，提高石墨烯的利用率，从而提升金属电极的导电性能。

更优选的，将具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过10min后，取出所述金属电极，并对所述金属电极进行干燥处理，以去除金属电极表面的乙醇溶剂，从而得到较纯的表面吸附有石墨烯的金属电极。

在一种优选的实施方式中，采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，得到石墨烯改性金属电极，所述离子隔膜为聚烯烃类隔膜。所述离子隔膜可使离子通过，但不能使石墨烯通过，因此，通过离子隔膜包裹所述金属电极可使金属电极和其表面吸附的石墨烯紧密结合在一起，从而形成高导电性能的石墨烯改性金属电极。

优选的，所述离子隔膜材料为聚乙烯或聚丙烯中的一种，但不限于此。更优选的，所述离子隔膜材料为聚丙烯，所述聚丙烯相对于聚乙烯而言具有更强的耐高温性能，且密度更小，因而更适合用于包裹金属电极。

进一步地，本发明还提供一种石墨烯改性金属电极，其中，采用所述制备方法制备得到。

下面通过具体实施例对本发明一种石墨烯改性金属电极的制备方法做进一步的解释说明：

实施例1

一种石墨烯改性铁电极的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯粉末溶解在乙醇中，制得石墨烯溶液；

对铁电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的铁电极；

将所述具有磁吸附能力的铁电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过10min后，得到表面吸附有石墨烯的铁电极；

采用聚丙烯隔膜对所述表面吸附有石墨烯的铁电极进行包裹，得到石墨烯改性铁电极。

实施例2

一种石墨烯改性铁钴合金电极的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯粉末溶解在乙醇中，制得石墨烯溶液；

对铁钴合金电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的铁钴合金电极；

将所述具有磁吸附能力的铁钴合金电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过8min后，得到表面吸附有石墨烯的铁钴合金电极；

采用聚乙烯隔膜对所述表面吸附有石墨烯的铁钴合金电极进行包裹，得到石墨烯改性铁钴合金电极。

实施例3

一种石墨烯改性镍电极的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯粉末溶解在乙醇中，制得石墨烯溶液；

对镍电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的镍电极；

将所述具有磁吸附能力的镍电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过12min后，得到表面吸附有石墨烯的镍电极；

采用聚乙烯隔膜对所述表面吸附有石墨烯的镍电极进行包裹，得到石墨烯改性镍电极。

实施例4

一种石墨烯改性氧化铁电极的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯粉末溶解在乙醇中，制得石墨烯溶液；

对氧化铁电极进行磁化处理，得到具有磁吸附能力的氧化铁电极；

将所述具有磁吸附能力的氧化铁电极浸没在所述石墨烯溶液中，经过12min后，得到表面吸附有石墨烯的氧化铁电极；

采用聚丙烯隔膜对所述表面吸附有石墨烯的氧化铁电极进行包裹，得到石墨烯改性氧化铁电极。

综上所述，本发明提供一种石墨烯改性金属电极的制备方法，通过将具有磁吸附能力的金属电极浸没在石墨烯溶液中，经过预定时间后，得到表面吸附有石墨烯的金属电极，采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，即可制得石墨烯改性金属电极。本发明提供的制备方法简单快速易实现，且制得的石墨烯改性金属电极中，石墨烯均匀地吸附在所述金属电极表面，所述石墨烯的黏结紧密度非常高，两者之间不会产生间隙，即石墨烯的利用率极高，能够显著提升金属电极的导电性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种石墨烯改性金属电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将石墨烯粉末溶解在有机溶剂中，制得石墨烯溶液；

在所述金属电极上缠绕绝缘导线，通入直流电，经过10-30min后，制得具有磁吸附能力的金属电极；

将所述具有磁吸附能力的金属电极浸没在所述石墨烯溶液中并以160-120r/min的搅拌速度搅拌，使石墨烯均匀地吸附在金属电极表面，经过8-15min后，取出所述金属电极；

对所述金属电极进行干燥处理，得到表面吸附有石墨烯的金属电极；

采用离子隔膜对所述表面吸附有石墨烯的金属电极进行包裹，得到石墨烯改性金属电极，所述离子隔膜为聚烯烃类隔膜。

2.根据权利要求1所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其特征在于，所述金属电极材料为铁、钴、镍单质及其氧化物中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其特征在于，所述金属电极为金属薄膜电极、金属杆状电极或金属条状电极中的一种。

4.根据权利要求1所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇。

5.根据权利要求1所述石墨烯改性金属电极的制备方法，其特征在于，所述离子隔膜材料为聚乙烯或聚丙烯中的一种。

6.一种石墨烯改性金属电极，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述制备方法制备得到。

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