一种三维多孔石墨烯电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨烯电极及其制备方法，属于材料科学领域。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由碳原子通过SP2杂化，排列为蜂窝状的单层二维晶体材料。单层石墨烯透光率可达97.7%，杨氏模量可达lTPa，石墨稀中电子以光速的1/300速率运动，迀移速率高达2 X 15Cm2/ (V.s)，导热系数达5300W/ (m.K)，此外，石墨烯理论比表面积达2600m2/g，这些性能赋予该材料坚实的应用基础，越来越多的研究将其应用在电极材料方面。
[0003]然而，目前制备的二维石墨烯并不能单独作为电极使用，其仅起到表面修饰剂的作用，即需要将石墨烯修饰在其它电极表面，以其它电极作为支撑或是基底材料，其修饰效果依赖于其所修饰电极本身的结构和性能。因此如能制备具有一定机械强度的整体三维多孔石墨烯，在不使用支撑和基底材料的情况下可单独作为电极使用，则能够充分利用石墨烯巨大的比表面积和良好的导电性，电极性能有望大大提高。
[0004]目前，已有研究制备三维多孔石墨烯电极的报道，但大多制备工艺复杂，需前体物作为引导，或是制备的三维多孔石墨烯电极例如石墨烯气凝胶或石墨烯海绵，其机械强度不足，作为电极使用时，一是容易和导线脱离，导致电阻增大；二是外力容易引起电极变形或损坏。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种三维多孔石墨烯电极的制备方法。
[0006]该制备方法，包括如下步骤:
[0007](I)氧化石墨烯水分散液的制备:取一定量的氧化石墨粉末分散在去离子水中，超声剥离，得到均匀的氧化石墨烯水分散液，分散液浓度为4_6g/L ；
[0008](2)石墨烯聚合体的制备:往氧化石墨烯水溶液中加入质量浓度84-86%的水合肼溶液，水合肼溶液的质量为氧化石墨烯质量的1.8-2.2倍，之后依次进行高温短时和室温长时聚合反应，得到含水的石墨烯聚合体；
[0009](3)三维多孔石墨烯的制备:含水的石墨烯聚合体，_52°C?-48°C冷冻干燥24-48h，得到三维多孔石墨烯；
[0010](4)三维多孔石墨烯直接或者切割后作为电极。
[0011]进一步的，所述聚合反应的高温反应温度在80-90°C，反应时间l_2h，室温长时反应的反应时间为6-12h。
[0012]进一步的，所述含水的石墨烯聚合体先于_52°C?_48°C进行预冷冻36-48h，再于-52°C?_48°C真空冷冻干燥24-48h，得到所述三维多孔石墨烯。
[0013]进一步的，所述水合肼溶液的用量为0.8-1.2mL。
[0014]本发明还提供使用本发明上述任一方案制备方法所制得的三维多孔石墨烯电极。
[0015]借由上述方案，本发明至少具有以下优点:
[0016]1.本发明通过氧化还原法，在较高氧化石墨烯浓度下，发生高温短时反应和室温长时聚合反应，使得单层石墨烯纳米片依靠范德华力相互靠近并结合在一起，形成由多层石墨稀纳米片构成的具有一定机械强度的整体式三维多孔石墨稀，该三维石墨稀直接或切割形成本发明的电极，具有必要的机械强度，同时具有宏观大孔结构，传质阻力小，比表面积大，且电极性能优越。
[0017]2、本发明的方法，无需添加前驱体或是使用特殊还原剂，制备工艺简单，有利于降低成本。
[0018]3、特别是控制聚合反应的高温反应温度在80_90°C，反应时间l_2h，室温长时反应的反应时间为6_12h，则有利于进一步提高所得三维石墨烯的机械强度和优化其导电性會K。
[0019]4、本发明方法中，将对含水石墨烯聚合体的冷冻步骤分为预冷冻和真空冷冻干燥两步，能够更加高效、高质的实现干燥，尤其是预冷冻和真空冷冻干燥分别设置在适宜的36-48h和24-48h，避免时间过短，更加有利于整体式三维石墨烯的形成。
[0020]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0022]实施例1
[0023]—种三维多孔石墨烯电极的制备方法，包括如下步骤:
[0024](I)氧化石墨粉末的制备:取0.5g过100目筛的鳞片石墨，与0.6g KNO3混合，搅拌条件下加入23mL浓硫酸，搅拌1min后缓慢加入1.5g高锰酸钾，然后将混合液置于35°C下搅拌3h，随后滴入40mL去离子水，继续搅拌5min，加入10mL去离子水和3mL质量分数30%的H2O2溶液，之后进行过滤处理。完成过滤后再采用lmol/L盐酸洗涤滤饼，直至以BaCl2溶液检测不到S042为止，然后水洗至中性，并真空冷冻干燥得到氧化石墨粉末。其中真空冷冻干燥在_50°C下进行24h。
[0025](2)氧化石墨烯水分散液的制备:取0.4g氧化石墨粉末分散在10mL去离子水中，利用超声仪器在400W功率下超声剥离3h，得到均匀的氧化石墨烯水分散液，分散液浓度为4g/Lo
[0026](3)石墨烯聚合体的制备:往步骤(2)得到的氧化石墨烯水分散液中加入质量浓度85%的水合肼溶液，水合肼溶液的质量为氧化石墨烯质量的2倍，具体为0.8mL。之后依次进行高温短时反应和室温长时聚合反应，得到含水的石墨烯聚合体。其中，高温短时反应为85 °C下静置反应2h，室温长时反应为室温静置6h。
[0027](4)三维多孔石墨烯的制备:含水的石墨烯聚合体，先于_50°C预冷冻48h，再于_50°C真空冷冻干燥24h，得到三维多孔石墨烯；
[0028](5)用工具将三维多孔石墨烯切割成直径3cm，厚度0.5cm的圆柱形，即形成本实施例的电极。
[0029]采用本实施例的制备方法则可相应制得一种三维多孔石墨烯。
[0030]实施例2
[0031]—种三维多孔石墨烯电极的制备方法，与实施例1的区别在于:取0.6g氧化石墨分散在10mL去离子水中，400W超声剥离3h，加入1.2mL质量百分比85 %的水合肼，80°C下静置反应2h