一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。石墨烯片在石墨烯水凝膠膜電極中呈取向排列，所有石墨烯片均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5μm的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為100nm到1000μm，含水量為0%到500%，導電率為10-9S/m到107S/m，比表面積為10-1000m2/g；具體制備方法為：將氧化石墨烯的水分散液從一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，凝固成氧化石墨烯水凝膠膜，對其進行還原得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。本發(fā)明的電極導電性高、比表面積大、柔韌性好，應用到超級電容器或電池領域會有優(yōu)異的電化學表現(xiàn)。
【專利說明】一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯水凝膠膜電極，尤其涉及一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。

【背景技術】
[0002]石墨烯是一層由碳原子以Sp2雜化相連接而形成的二維材料。從2004年被英國的 A.K.Geim (K.S.Novoselov, et al.Science, 2004, 306, 666-669)發(fā)現(xiàn)至今已引起科學和工業(yè)界廣泛的關注。迄今為止，將石墨烯應用于電極材料領域主要分兩種情況。第一種是將石墨烯作為導電填料添加到電極材料中，第二種是在不使用粘結劑的情況下直接將石墨烯片組裝成宏觀的石墨烯電極材料。在將石墨烯片組裝成宏觀材料時，石墨烯片之間的排列雜亂無章，電解液離子就無法擴散到電極材料的內部，就不能獲得較大的能量存儲。而石墨烯片之間如果取向排列，電解液離子就可充分浸潤到電極材料的內部，從而獲得更大的能量存儲。因此，如何快速高效的得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極就顯得至關重要。2011年浙江大學的高超教授成功的利用氧化石墨烯的液晶相行為，石墨烯紡成纖維(Z.Xu, C.Gao, Nat.Comms., 2011, 2, 571),從而為石墨烯的材料制備開拓了一條新途徑。因此，在這里我們首次利用氧化石墨烯的液晶相行為，將其連續(xù)化的紡成具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。所得到的具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極具有高導電性、高比表面積等特點，將其用作超級電容器電極，可以獲得高的比電容和能量密度。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術不足，提供一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0004]具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極中石墨烯片呈取向排列，且均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5ym的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為10nm到1000 μ m,含水量為0%到500%，導電率為1(T9 S/m到17 S/m,比表面積為1-1OOOmVg ;具體制備方法包括以下步驟:
1)將I重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10?1000mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留I?10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I?200重量份的還原劑，在60?120°C下進行化學還原Imin?24h，用水清洗后得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極；或將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250°C水熱還原l_36h，用水清洗后得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0005]步驟2)中所述的一字形?？诘难b置為長方體結構，中間開有一個逐漸變窄的一字形模口。
[0006]步驟2)中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。
[0007]步驟3)中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、Na0H、K0H，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。
[0008]本發(fā)明的電極導電性高、比表面積大、柔韌性好，應用到超級電容器或電池領域會有優(yōu)異的電化學表現(xiàn)。制備工藝簡單、能耗低、綠色環(huán)保。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為一字形模口的制備裝置的剖面圖；
圖2為一字形模口的制備裝置的主視圖；
圖3為一字形?？诘闹苽溲b置的后視圖；
圖4為具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極的掃描電鏡照片。

【具體實施方式】
[0010]具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極中石墨烯片呈取向排列，且均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5ym的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為10nm到1000 μ m,含水量為0%到500%，導電率為1(T9 S/m到17 S/m,比表面積為1-1OOOmVg ;具體制備方法包括以下步驟:
1)將I重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10?1000mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留I?10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I?200重量份的還原劑，在60?120°C下進行化學還原Imin?24h，用水清洗后得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極；或將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250°C水熱還原l_36h，用水清洗后得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0011]步驟2)中所述的一字形?？诘难b置為長方體結構，中間開有一個逐漸變窄的一字形?？?。
[0012]步驟2)中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。
[0013]步驟3)中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、Na0H、K0H，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。
[0014]如圖1-3所示，一字形?？诘闹苽溲b置為長方體結構，中間開有一字形?？冢龅囊蛔中文？跒橐粋€逐漸變窄的流道。逐漸變窄的流道能有效增加流場對石墨烯片的作用力，有利于石墨烯分散體系規(guī)整取向結構的形成。
[0015]下面通過實施例對本發(fā)明進行具體描述，本實施例只用于對本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據上述發(fā)明的內容做出一些非本質的改變和調整均屬本發(fā)明的保護范圍。
[0016]實施例1
1)將I重量份的氧化石墨烯，50重量份的水混合，超聲分散后得到20mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以10mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留Is凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I重量份的肼，在95°C下進行化學還原lh，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0017]經過以上步驟，具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極導電率為0.2X 17 S/m,比表面積為1000m2/g。
[0018]實施例2
1)將I重量份的氧化石墨烯，200重量份的水混合，超聲分散后得到5mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以1000mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留Is凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用10重量份的氫碘酸，在95°C下進行化學還原lh，用去離子水浸泡12h后取出，再用去離子水浸泡12h，重復3次，得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0019]經過以上步驟，具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極導電率為0.5X 19 S/m,比表面積為10m2/g。
[0020]實施例3
1)將I重量份的氧化石墨烯，100重量份的水混合，超聲分散后得到10mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以50mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留1s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中180°C水熱還原24h，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0021]經過以上步驟，具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極導電率為0.7X 15 S/m,比表面積為800m2/g。
[0022]實施例4
1)將I重量份的氧化石墨烯，100重量份的水混合，超聲分散后得到10mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以100mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留5s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用200重量份的抗壞血酸，在100°C下進行化學還原10h，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0023]經過以上步驟，具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極導電率為2X107 S/m,比表面積為 100mVg。
[0024]實施例5
1)將I重量份的氧化石墨烯，100重量份的水混合，超聲分散后得到10mg/mL氧化石墨烯的水分散液；
2)將步驟I)得到的水分散液，以10mL/h的擠出速度在一字形模口的裝置中擠出到凝固液中，停留10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；
3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用200重量份的NaOH，在100°C下進行化學還原24h，用去離子水浸泡24h后將石墨烯水凝膠膜取出，得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
[0025]經過以上步驟，具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極導電率為2X104 S/m,比表面積為 400m2/g。
【權利要求】
1.一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于石墨烯片在石墨烯水凝膠膜電極中呈取向排列，所有石墨烯片均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5 μ m的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為10nm到1000 μ m,含水量為0%到500%，導電率為10_9 S/m到17 S/m,比表面積為10_1000m2/g ;具體制備方法包括以下步驟: 1)將I重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液； 2)將步驟I)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10?1000mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留I?10s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜； 3)將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用I?200重量份的還原劑，在60?120°C下進行化學還原Imin?24h，用水清洗后得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極；或將I重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250°C水熱還原l_36h，用水清洗后得到具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極。
2.如權利要求1所述的一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于步驟2)中所述的一字形?？诘难b置為長方體結構，中間開有一個逐漸變窄的一字形模口。
3.如權利要求1所述的一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于步驟2)中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。
4.如權利要求1所述的一種具有取向結構的石墨烯水凝膠膜電極，其特征在于步驟3)中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、NaOH,Κ0Η，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。
【文檔編號】H01G11/24GK104362002SQ201410487044
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權日:2014年9月23日
【發(fā)明者】高超, 寇亮, 劉崢 申請人:浙江碳谷上希材料科技有限公司