CN114551115B - 一种电化学插层石墨烯/石墨复合电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种电化学插层石墨烯/石墨复合电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学插层石墨烯/石墨复合电极材料及其制备方法，属于电极材料制备领域。本发明提供一种石墨烯/石墨复合电极的制备方法。制备具体步骤为：首先将石墨片浸入硫酸溶液中进行预插层，将石墨片在去离子水中洗净后，再将预插层后的石墨片浸入硫酸盐溶液中进行插层，得到石墨烯/石墨复合电极。制备的石墨烯/石墨电极不仅具有良好的导电性，还具有高的比表面积，所得到的石墨烯/石墨复合电极中石墨烯片层更均匀、更薄，能提供更好电化学容量。本发明制备的石墨烯电极材料为电极材料领域提供一种可行有效的制备方法，有利于电极材料领域应用和发展。

Description

一种电化学插层石墨烯/石墨复合电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电化学插层石墨烯/石墨电极材料及其制备方法，属于电极材料制备领域。
背景技术
近几十年来，石墨烯一直被广泛关注。特别是其优异的导电性、超高的比表面积和良好的可加工性，使其在电化学储能应用方面具有巨大的潜力，如超级电容器和离子电池。但污染、成本和质量等一系列因素阻碍了其进一步的商业应用。石墨烯制备方法，造成污染。
事实上，石墨和氧化石墨都适用于储能装置。石墨不仅可以作为储能的活性材料，而且可以代替金属箔作为集流器。石墨烯和石墨在结构上的结合可以协同提供高的表面和活性面积，同时具有良好的导电性，因此可以解决它们各自的电流缺点。
发明内容
本发明针对超级电容器和离子电池的应用需要，提供一种电化学插层石墨烯/石墨电极材料。该复合材料由硫酸和硫酸盐溶液经电化学插层所制得。硫酸溶液为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，施加的恒定电压1.0~1.5V，插层时间为60s~180s。硫酸盐包括过硫酸盐溶液的浓度为0.1~1mol/L，施加的恒定电压为2~3V，插层时间为160~400min。本发明直接生成的石墨烯/石墨复合电极，具有良好的导电性，高的比表面积和优异的电化学性能。
本发明所述的一种电化学插层石墨烯/石墨电极材料及其制备方法，具体步骤如下：
1）以一定大小的商用石墨片为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在硫酸溶液中进行电化学插层，然后经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；
2）以1）所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在硫酸盐溶液中进行电化学插层，然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种简单可控的方法，通过两步电化学插层法从商业石墨纸上制备集成氧化石墨烯/石墨三维柔性电极。部分石墨被选择性膨胀和功能化，以氧化石墨烯作为活性区，其余未膨胀石墨与活性氧化石墨烯层集成，作为导电介质与外部电路连接。在集成结构中同时保持了石墨纸的高多孔独立宏观结构和定向层状纳米结构。石墨与氧化石墨的优点得到了协同结合，缺点得到了抑制。讨论了石墨电极的电化学行为以及石墨与氧化石墨的协同效应。该方法为制造下一代柔性储能器件提供了一条可行的途径。
附图说明：
图1为本发明实施例1的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图；
图2为本发明实施例1的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的XRD图；
图3为本发明实施例2的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图；
图4为本发明实施例2的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的Raman图；
图5为本发明实施例2的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的SEM图。
图6为本发明实施例3的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图；
图7为本发明实施例4的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图；
图8为本发明实施例5的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图。
具体实施方式：
下面将结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：
本实施例电化学插层石墨烯/石墨电极材料由一定大小的商用石墨片作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，经硫酸和过硫酸铵溶液电化学插层所制得。硫酸为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，施加的恒定电压为1.2V，插层时间为20s；过硫酸铵溶液的浓度为0.1mol/L，施加的恒定电压为2.4V，插层时间为340min。具体步骤如下：
1）以一定大小的商用石墨片为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓硫酸中进行电化学插层，施加1.2V的恒定电压，插层20s，然后经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；
2）以1）所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓度为0.1mol/L的过硫酸铵溶液中进行电化学插层，施加2.4V的恒定电压，插层340min，然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
图1为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图，从图中可以看出材料的电化学容量约为600mF/cm2。
图2为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的XRD图，从图中可以看出存在典型的石墨峰型。
实施例2：
本实施例电化学插层石墨烯/石墨电极材料由一定大小的商用石墨片作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，经硫酸和过硫酸铵溶液电化学插层所制得。硫酸为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，施加的恒定电压为1.2V，插层时间为120s；过硫酸铵溶液的浓度为0.1mol/L，施加的恒定电压为2.4V，插层时间为340min。具体步骤如下：
1）以一定大小的商用石墨片为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓硫酸中进行电化学插层，施加1.2V的恒定电压，插层120s，然后经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；
2）以1）所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓度为0.1mol/L的过硫酸铵溶液中进行电化学插层，施加2.4V的恒定电压，插层340min，然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
图3为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图，从图中可以看出材料的电化学性能优异，容量约为830mF/cm2。
图4为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的Raman图，从图中可以看出明显存在石墨烯结构。
图5为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的SEM图，从图中可以看出石墨作为载流体连接石墨烯形成网状结构。
实施例3：
本实施例电化学插层石墨烯/石墨电极材料由一定大小的商用石墨片作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，经硫酸和过硫酸铵溶液电化学插层所制得。硫酸为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，施加的恒定电压为1.2V，插层时间为220s；过硫酸铵溶液的浓度为0.1mol/L，施加的恒定电压为2.4V，插层时间为340min。具体步骤如下：
1）以一定大小的商用石墨片为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓硫酸中进行电化学插层，施加1.2V的恒定电压，插层220s，然后经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；
2）以1）所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓度为0.1mol/L的过硫酸铵溶液中进行电化学插层，施加2.4V的恒定电压，插层340min，然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
图6为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图，从图中可以看出材料的电化学容量约为710mF/cm2。
实施例4：
本实施例电化学插层石墨烯/石墨电极材料由一定大小的商用石墨片作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，经硫酸和过硫酸铵溶液电化学插层所制得。硫酸为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，施加的恒定电压为1.2V，插层时间为120s；过硫酸铵溶液的浓度为0.1mol/L，施加的恒定电压为2.4V，插层时间为280min。具体步骤如下：
1）以一定大小的商用石墨片为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓硫酸中进行电化学插层，施加1.2V的恒定电压，插层120s，然后经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；
2）以1）所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓度为0.1mol/L的过硫酸铵溶液中进行电化学插层，施加2.4V的恒定电压，插层280min，然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
图7为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图，从图中可以看出材料的电化学容量约为690mF/cm2。
实施例5：
本实施例电化学插层石墨烯/石墨电极材料由一定大小的商用石墨片作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，经硫酸和过硫酸铵溶液电化学插层所制得。硫酸为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，施加的恒定电压为1.2V，插层时间为120s；过硫酸铵溶液的浓度为0.1mol/L，施加的恒定电压为2.4V，插层时间为400min。具体步骤如下：
1）以一定大小的商用石墨片为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓硫酸中进行电化学插层，施加1.2V的恒定电压，插层120s，然后经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；
2）以1）所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在浓度为0.1mol/L的过硫酸铵溶液中进行电化学插层，施加2.4V的恒定电压，插层400min，然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
图8为制备的电化学插层石墨烯/石墨电极材料的CV图，从图中可以看出材料的电化学容量约为780mF/cm2。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种电化学插层石墨烯/石墨复合电极的制备方法，其特征在于步骤如下：
以一定大小的商用石墨片作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在硫酸溶液中进行电化学插层，施加的恒定电压为1.0~1.5V，插层时间为60~180s，硫酸溶液为浓硫酸，质量分数大于或等于70%，经去离子水洗净后，得到预插层石墨电极；以所制得的预插层石墨电极作为工作电极，铂片作为对电极，电化学工作站作为恒定电源，在硫酸盐溶液中进行电化学插层，施加的恒定电压为2~3V，插层时间为160~400min，硫酸盐溶液包括过硫酸盐溶液，浓度为0.1~1mol/L；然后经去离子水洗净后，得到石墨烯/石墨复合电极。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/石墨复合电极，其特征在于：在施加恒定的小电压情况下，经浓硫酸短时间预插层，使石墨层间均匀打开。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/石墨复合电极，其特征在于：在施加恒定小电压的情况下，经硫酸盐长时间插层，使预插层石墨的片层变为石墨烯结构。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/石墨复合电极，其特征在于：直接生成石墨烯/石墨复合电极，具有良好的导电性，高的比表面积和优异的电化学性能，可用于储能电极材料制备领域。
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