一種石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨稀材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨稀/石墨稀納米帶復(fù)合水凝膠及其制備方法，可以用作載體材料以及超級(jí)電容器等新能源器件的電極材料。
技術(shù)背景
[0002]石墨稀是單片層的石墨，由sp2碳原子六方排列而成。石墨稀擁有較高的內(nèi)部載流子迀移率(200000 cm2 V 1 s 3，良好的熱導(dǎo)率5000 ff m1 0，高透光率(~ 97.7%)和理論比表面積(2630 m2 g 3，以及優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度。因此，石墨烯在許多方面都有廣闊的應(yīng)用前景。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于石墨烯片層間的η - 相互作用，石墨烯片層易于重新堆疊，形成類(lèi)石墨的結(jié)構(gòu)，使石墨烯本身的優(yōu)異性能無(wú)法得到充分利用。因此，如何有效抑制石墨烯片層的堆疊是實(shí)現(xiàn)石墨烯材料廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003]石墨烯納米帶是一種準(zhǔn)一維碳基納米材料，它秉承了碳納米材料優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如較高的導(dǎo)電性、優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等。此外，石墨烯納米帶特殊的邊緣效應(yīng)使得其具有比石墨烯、碳納米管更加靈活可調(diào)的性質(zhì)。這些特殊性質(zhì)使其在能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電子傳感器、高分子納米復(fù)合材料等領(lǐng)域都具有極為廣闊的應(yīng)用前景，成為碳納米材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。
[0004]自組裝是通過(guò)氫鍵、31 - Ji堆疊以及靜電吸引等相互作用來(lái)得到物理交聯(lián)的多級(jí)結(jié)構(gòu)的一種有效方法。自組裝過(guò)程是一種自發(fā)過(guò)程，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，自組裝過(guò)程可以由多組分同時(shí)進(jìn)行而不影響產(chǎn)物的形成，且自組裝的結(jié)構(gòu)可以賦予材料一些有別于本體物質(zhì)的獨(dú)特性能，從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。將這種自組裝技術(shù)運(yùn)用于石墨烯基復(fù)合材料中，可以形成具有高比表面積的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效抑制石墨烯片層和石墨烯納米帶之間的相互堆疊，有利于電子的傳輸和離子的迀移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低廉的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明所提供的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠材料，其制備原料組成包括:氧化石墨、單壁或多壁碳納米管、高錳酸鉀、濃硫酸、抗壞血酸、抗壞血酸鈉、氫碘酸等。
[0007]本發(fā)明所提供的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠材料，其制備過(guò)程是用還原劑將氧化石墨烯納米片、氧化石墨烯納米帶進(jìn)行原位還原并且自組裝制備獲得。具體步驟如下:
(1)將氧化石墨分散于去離子水中，經(jīng)超聲分散，得到一定濃度的穩(wěn)定分散的氧化石墨烯分散液;
(2)按比例將還原劑加入到氧化石墨烯水溶液中，超聲使其分散均勻，得到混合液；
(3)將一定量的氧化石墨烯納米帶的水分散液滴入步驟(2)所得的混合液中，攪拌一段時(shí)間，形成均一分散液； (4)將步驟(3)所得的混合分散液在一定溫度下保持靜置，油浴反應(yīng)一段時(shí)間，即可得到石墨稀/石墨稀納米帶復(fù)合水凝膠。
[0008]本發(fā)明中，所述的氧化石墨烯納米帶是由溶液氧化法徑向剪開(kāi)碳納米管制備得至丨J，此方法可參考專(zhuān)利US 2010/0105834 A1。
[0009]本發(fā)明中，所用的還原劑選自:抗壞血酸(維生素C)、抗壞血酸鈉、氫碘酸、對(duì)苯二酚。
[0010]本發(fā)明中，步驟(1)所述的氧化石墨由Hmnmers方法制備，氧化石墨稀分散液濃度為 2-5 mg/mL0
[0011]本發(fā)明中，步驟(2)所述的還原劑的濃度為40-80 mmol/Lo
[0012]本發(fā)明中，步驟(3)所述的氧化石墨稀納米帶水分散液的濃度為0.5-1.5 mg/mL。
[0013]本發(fā)明中，步驟(4)所述的混合分散液中氧化石墨烯和氧化石墨烯納米帶的質(zhì)量比為 4:1~1: 1。
[0014]本發(fā)明中，步驟(4)所述的溫度為80-100°C，反應(yīng)時(shí)間為0.5-3.5 h。
[0015]使用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線(xiàn)衍射儀(XRD)，電化學(xué)工作站來(lái)表征本發(fā)明所獲得的石墨烯-石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)形貌以及其用作超級(jí)電容器電極材料的性能，其結(jié)果如下:
(1)SEM測(cè)試結(jié)果表明:本發(fā)明中所制備的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠有多級(jí)孔洞結(jié)構(gòu)，石墨烯片層與石墨烯納米帶共同構(gòu)筑成三維網(wǎng)絡(luò)的骨架結(jié)構(gòu)，石墨烯片層包裹著條帶狀的石墨烯納米帶，而同時(shí)石墨烯納米帶又貫穿于石墨烯片層之間。這種三維復(fù)合網(wǎng)絡(luò)不僅形成了多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，而且提高了材料的比表面積；
(2)TEM測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步表明:本發(fā)明中所制備的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠是由石墨烯片層和石墨烯納米帶協(xié)同分散及自組裝而成。石墨烯納米帶具有高的長(zhǎng)徑比以及特殊的帶狀邊緣，而石墨烯的片層結(jié)構(gòu)將條帶狀的石墨烯納米帶相互連接起來(lái)，由此所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步促使石墨稀納米帶的獨(dú)特性能得到充分利用。而石墨稀納米帶同時(shí)穿插在石墨烯片層中，同時(shí)又起到了抑制石墨烯片層堆疊的作用；
(3)XRD測(cè)試結(jié)果表明:所制備的氧化石墨烯納米帶(G0NR)在2 Θ =10.0°有一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，說(shuō)明碳納米管已經(jīng)被成功剝離成納米帶結(jié)構(gòu)。還原過(guò)后的石墨烯納米帶(GNR)在2 Θ =26.0°有一個(gè)較寬的衍射峰，對(duì)應(yīng)于(002)晶面。同樣地，所制備的氧化石墨烯(G0)在2Θ=10.0°有一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，說(shuō)明石墨烯(G)已經(jīng)被成功氧化。還原之后，在2 Θ =26.0°有一個(gè)較寬的衍射峰，同樣對(duì)應(yīng)于(002)晶面。而石墨烯/石墨烯納米帶(G/GNR)復(fù)合材料類(lèi)似的XRD圖譜再次證明了復(fù)合物在還原劑的作用下被成功還原；
(4)電化學(xué)工作站測(cè)試結(jié)果表明，所制備的石墨稀/石墨稀納米帶復(fù)合材料用作超級(jí)電容器電極材料時(shí)，具有優(yōu)異的比電容性能，從恒電流充放電曲線(xiàn)中可以得出，在電流密度為1 A/g時(shí)，其比容量值可以達(dá)到187.5 F/go
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、制備過(guò)程簡(jiǎn)單，環(huán)保，易于操作，是一種有效快捷的制備方法；
2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙:
第一，將二維的石墨烯與準(zhǔn)一維的石墨烯納米帶進(jìn)行復(fù)合，使得高導(dǎo)電性、高比表面積的石墨烯與具有獨(dú)特長(zhǎng)徑比與邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶相互連接貫穿，增大了復(fù)合材料的比表面積，有效構(gòu)筑了多級(jí)結(jié)構(gòu)；
第二，通過(guò)簡(jiǎn)單的自組裝的方法制備出復(fù)合材料，反應(yīng)條件溫和，并可以在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)多種還原劑實(shí)現(xiàn)；
本發(fā)明制備的石墨稀/石墨稀納米帶復(fù)合水凝膠，可用作一種理想的載體材料以及超級(jí)電容器等新能源器件的電極材料。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是實(shí)施例1制備的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠的照片。
[0018]圖2是實(shí)施例1制備的石墨烯/石墨烯納米帶復(fù)合水凝膠冷凍干燥后的SEM圖