一种非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料的制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种复合电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器具有功率密度高、充放电速率快、循环寿命达万次以上，在很小的体积下达到法拉级的电容量，无须特别的充电电路和控制放电电路，和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响，从环保的角度考虑，它是一种绿色能源，但其比电容值、能量密度比较低。近年来，石墨烯的发现使电极材料的发展有了新的方向，二维共轭结构使石墨烯及其复合材料具有很多独特的性质，包括巨大的比表面积，使其在提高超级电容器能量密度方面具有潜在的应用价值。然而纯的垂直生长的石墨烯材料是疏水性，使得石墨烯和电解液之间不能有效地润湿，进而使得电解液和石墨烯之间的接触面积较少，导致石墨烯超级电容器的比电容值较低。
[0003]非晶碳是一种短程有序长程无序的非晶态碳，它同时具有金刚石结构(即sp3键)和石墨结构(即sp2键)，有许多和它们相类似的性能。如非晶碳薄膜具有高硬度和高弹性模量，特别是其硬度，上限可以达到金刚石的硬度，非晶碳还具有抗耐磨、光学透光性、化学惰性和亲水性等优异的性质，因而广泛应用于各种涂层、光学窗口、场发射材料及太阳能电池等领域。
【发明内容】
[0004]本发明要解决现有纯的垂直生长的石墨烯材料是疏水性，使得石墨烯和电解液之间不能有效地润湿，进而使得电解液和石墨烯之间的有效接触面积较少，导致石墨烯超级电容器的比电容值较低的问题，而提供一种非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料的制备方法。
[0005]—种非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0006]—、将表面有垂直石墨烯的集电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa，以气体流量为20sccm?40sccm通入氩气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa?400Pa，并在压强为200Pa?400Pa和氩气气氛下，在lOmin?30min内将温度升温至为200°C?600°C ；
[0007]二、通入甲烷气体，控制氩气的气体流量为lsccm?lOsccm，控制甲烷气体的气体流量为5Sccm?50sCCm，然后调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为400Pa?800Pa，然后在沉积系统射频功率为50W?200W、压强为400Pa?800Pa和温度为200°C?600°C条件下进行沉积，沉积时间为lmin?lOmin ;
[0008]三、沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入甲烷气体，在氩气气氛下，以冷却速度为5°C /s?10°C /s，冷却到室温，即得到非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料。
[0009]本发明非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料的制备基本原理:利用等离子体增强化学气相沉积方法，通过等离子体作用可低温高效分解碳源气体(如ch4，c2h4等)形成大量具有尚活性的碳基团，这些尚活性碳基团可在石墨稀表面沉积生成非晶碳。由于在表面生成了一层非晶碳，而非晶碳具有亲水性，可明显改善材料的润湿性，提高材料单位面积的活性物质，从而提高石墨烯超级电容器的比电容。本发明方法简单、有效、且解决了石墨烯超级电容器的润湿性的问题并且可以有效地提高其比电容，在石墨烯基超级电容器领域具有良好的应用前景。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]1、本发明利用等离子体增强化学气相沉积方法，以表面生长有垂直石墨烯的集电极材料为生长基底，生长温度为200?600°C，通入少量的CH4气体与Ar气，开启等离子体电源后，在一定时间后即可完成非晶碳的生长。
[0012]2、本发明通过生长非晶碳，利用其亲水性，改善水系电解液在石墨烯表面的润湿性，同时提尚集电极材料单位面积活性物质含量，从而提尚石墨稀超级电容器的比电容值。
[0013]3、本发明的方法简单，高效，低成本，便于工业化生产，在石墨烯基超级电容器领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0014]图1为实施例一制备的非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0015]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0016]【具体实施方式】一:本实施方式所述的一种非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0017]—、将表面有垂直石墨烯的集电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa，以气体流量为20sccm?40sccm通入氩气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa?400Pa，并在压强为200Pa?400Pa和氩气气氛下，在lOmin?30min内将温度升温至为200°C?600°C ；
[0018]二、通入甲烷气体，控制氩气的气体流量为lsccm?lOsccm，控制甲烷气体的气体流量为5Sccm?50sCCm，然后调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为400Pa?800Pa，然后在沉积系统射频功率为50W?200W、压强为400Pa?800Pa和温度为200°C?600°C条件下进行沉积，沉积时间为lmin?lOmin ;
[0019]三、沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入甲烷气体，在氩气气氛下，以冷却速度为5°C /s?10°C /s，冷却到室温，即得到非晶碳/垂直石墨烯复合电极材料。
[0020]本实施方式的有益效果是:1、本实施方式利用等离子体增强化学气相沉积方法，以表面生长有垂直石墨烯的集电极材料为生长基底，生长温度为200?600°C，通入少量的CH4气体与Ar气，开启等离子体电源后，在一定时间后即可完成非晶碳的生长。
[0021]2、本实施方式通过生长非晶碳，利用其亲水性，改善水系电解液在石墨烯表面的润湿性，同时提尚集电极材料单位面积活性物质含量，从而提尚石墨稀超级电容器的比电容值。
[0022]3、本实施方式的方法简单，高效，低成本，便于工业化生产，在石墨烯基超级电容器领域具有良好的应用前景。
[0023]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中所述的表面有垂直石墨烯的集电极材料具体是按以下步骤制备的:将电极材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至5Pa以下，通入氩气和甲烷气体，调节甲烷气体的气体流量为5sccm?20sccm，调节氩气的气体流量为50sccm?lOOsccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa?900Pa，然后在射频功率为50W?200W、温度为500°C?800°C及压强为200Pa?900Pa的条件下进行沉积，沉积时间为5min?60min ；
[0024]所述的集电极材料为金属镍、泡沫镍、金属铂、不锈钢片或石墨纸。其它与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是:步骤二中控制氩气的气体流量为5sccm?lOsccm。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0026]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤二中控制甲烷气体的气体流量为lOsccm?50sccm。其它与【具体实施方式】一至三相同。
[0027]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤二中然后调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为400Pa?700Pa。其它与【具体实施方式】一至四相同。
[0028]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤二中然后在沉积系统射频功率为100W?175W、压强为400Pa?800Pa和温度为200°C?600°C条件下进行沉积，沉积时间为lmin?lOmin。其它与【具体实施方式】一至五相同。
[0029]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:步骤二中然后在沉积系统射频功率为50W?200W、压强为400Pa?800Pa和温度为200°C?600°C条件下进行沉积，沉积时间为2min?lOmin。其它与【具体实施方式】一至六相同。
[0030]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是:步骤一中在lOmin?30min内将温度升温至为300°C。其它与【具体实施方式】一至七相同。
[0031]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一