高导电率的三维纯粹石墨烯水凝胶材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种高导电率的三维纯粹石墨烯水凝胶材料及其制备方法，属于超级电容器电极材料制备领域。
背景技术：
：由于化石燃料资源短缺和废气污染等问题越来越严重，一些新的储能装置例如超级电容器备受关注，其具有功率密度高、循环寿命长（大于100000次）、可快速充电/放电等优点。目前，可根据超级电容器的电容大小不同，将其应用在电动汽车，无线电通讯技术，新能源等领域。然而，超级电容器的能量密度相对较低，需要在不牺牲功率密度和循环稳定性的前提下提高其能量密度。根据储能机理，超级电容器可分为两种基本类型：双电层电容器和法拉第准电容器。双电层电容器通过离子的静电吸附在电极材料的表面储存能量，而法拉第准电容器则通过快速和可逆的氧化还原反应将电荷储存在本体材料中。碳材料例如碳纳米管，石墨烯，碳气凝胶等具有大的表比面积，已被广泛的应用于双电层电容器中。目前，石墨烯作为一个热点材料，研究者致力于将石墨烯制备成可用于超级电容器的电极材料。然而，二维的石墨烯片层之间因为存在范德华力而趋向于堆叠，重新形成石墨。这极大地阻碍了石墨烯在超级电容器中的应用与发展。因此，构建三维结构的石墨烯无疑是一个新的研究方向。石墨烯水凝胶是一种基于三维多孔结构的石墨烯材料，具有较高的比表面积和良好的导电性。石墨烯水凝胶不仅能够有效的防止石墨烯片层的堆叠，也有利于电解质离子的快速扩散和传输，大大提高了石墨烯对于双电层电容器的电容性能的贡献。目前，制备石墨烯水凝胶的方法主要有一步水热法和化学还原法等。但鉴于目前的合成条件过于复杂或严苛，因此需要寻找一种更高效、简单的方法。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种高导电率的三维纯粹石墨烯水凝胶材料及其制备方法。本发明采用的技术方案如下：一种高导电率的三维纯粹石墨烯水凝胶材料及其制备方法，包括如下步骤：步骤（1），将氧化石墨烯分散液和葡萄糖混合后并超声分散均匀，得到氧化石墨烯/葡萄糖分散液；步骤（2），将氧化石墨烯/葡萄糖分散液置于反应釜中并在120±10℃下反应11-13h，然后自然冷却至室温，即得到所述的三维纯粹石墨烯水凝胶材料。本发明所述步骤中，氧化石墨烯分散液的浓度为2mg/mL。本发明所述步骤中，氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯与葡萄糖的质量比为1:1。本发明所述步骤中，超声分散时间为10min以上。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明通过一步水热法成功地合成了独立的高导电率的三维纯粹石墨烯水凝胶材料。2、本发明对反应的温度和时间作了改善，葡萄糖既可以作为还原剂，也作为形貌导向剂。3、通过该发明制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料具有良好的电导率、较高的比电容值和较好的循环稳定性，其比电容值在三电极体系可达到384.6F/g。在三明治式二电极体系中，其比电容可达213.9F/g。相比于其他方法制备的纯粹的石墨烯凝胶材料而言具有较高的比电容值。附图说明图1为本发明实施例5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料的扫描电镜图（SEM）。图2为本发明实施例1、2、3、4、5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料在三电极体系中的循环伏安图（a）及不同反应时间制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料的恒电流充放电曲线（b）。图3为本发明实施例1、2、3、4、5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料在三明治式二电极体系中的循环伏安图（a）及恒电流充放电曲线图（b）。图4为本发明实施例1、2、3、4、5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料流程及测试示意图。具体实施方式氧化石墨烯由于其表面含有羟基、羧基等官能团而具有较好的水溶性能，可借此性能在水相中进行反应。一定浓度的氧化石墨烯在合适的条件下会出现凝胶化现象，从而制得形态独立的石墨烯水凝胶。一步水热法简单易操作，但相对而言需要高温、高压、长时间等条件，因此本发明方法中加入了葡萄糖，不仅可以还原氧化石墨烯，而且降低了反应温度，缩短了反应时间。另外，通过简单的切割、压片可以制备工作电极，很好地解决了工作电极的制备问题。本发明所述的高导电率的三维纯粹石墨烯水凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：1）将石墨氧化物加入到水中，通过超声分散2h配成浓度为2mg/mL的氧化石墨烯分散液；2）加入质量比为1:1的葡萄糖，超声10min以上，保证葡萄糖完全溶解并均匀分散在氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯/葡萄糖分散液；3）将步骤2）氧化石墨烯/葡萄糖分散液移至聚四氟乙烯内胆中，置于反应釜中并在120℃下反应12h，然后自然冷却至室温，即得到所述的独立的圆柱状三维纯粹石墨烯水凝胶；4）三电极电池组装：将步骤3）制得的水凝胶用小刀切下一片，压在清洗干净的镍泡沫电极上，与参比电极和对电极共同组成三电极体系，在电极间注入碱性电解质；5）二电极电池组装：将步骤3）制得的水凝胶用小刀切下两片，分别附着在两片Pt上，并用隔膜隔开，用玻璃片固定，组成三明治式二电极电池，在电极间注入碱性电解质；6）电化学性能测试：将步骤4、5）组成的电池与CHI660电化学工作站连接，采用循环伏安(CV)，恒电流充放电(ConstantCurrentChargeorDischarge)，电化学阻抗谱（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）等技术测试其电化学性能。实施例：将石墨氧化物与水混合并超声分散2h形成均匀的氧化石墨烯（GO）分散液，浓度为2mg/mL，将等质量比例的葡萄糖（Glu）加入到上述氧化石墨烯分散液中，超声10min以上得到均匀的氧化石墨烯/葡萄糖分散液（GO-Glu）；将GO-Glu移至聚四氟乙烯内胆中，置于反应釜中并在120℃下反应6-15h，然后自然冷却至室温，即得到所述的独立的三维纯粹石墨烯水凝胶；将制得的水凝胶切割、压片制成工作电极，与参比电极和对电极共同组成三电极电池，在电极间注入5mol/L的KOH溶液；将组成的电池与CHI660电化学工作站连接，如图4所示。应用循环伏安(CycleVoltammetry,CV)，恒电流充放电(ConstantCurrentChargeorDischarge,GCD)，电化学阻抗谱（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）等技术测试其电化学性能。工艺步骤如上述实施例，其它工艺参数优选如下表所示：实例例序号12345反应时间（h）68101215电导率（S/m）34.052.966.795.312.9图1为本发明实施例5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料的扫描电镜图（SEM）。从扫描电镜图我们可以清晰的看到柔韧的石墨烯片相互联结构架形成三维多孔状结构；图2为本发明实施例1、2、3、4、5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料在三电极体系中的循环伏安图（a）及不同反应时间制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料的恒电流充放电曲线（b）。从图中我们可以看到反应时间为12h制备的石墨烯水凝胶材料的性能最佳。图3为本发明实施例1、2、3、4、5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料在二电极体系中的循环伏安图（a）及恒电流充放电曲线（b）。图4为本发明实施例1、2、3、4、5制备的三维纯粹石墨烯水凝胶材料流程及测试的示意图。当前第1页1 2 3