一种三维石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电极材料的技术领域，特别涉及一种三维石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

三维石墨烯具有三维导电的网络结构，比表面积大，机械性能好，广泛的应用于超级电容器和锂离子电池的阳极材料中。为了进一步提高电极材料的性能，人们将三维石墨烯和一些其他材料(如金属粒子、金属氧化物、金属硫化物等)进行复合，通过复合将两种或两种以上的材料的性能结合起来，产生协同作用，从而使复合电极材料表现出良好的储能性、高的导电性能和良好的稳定性，在电化学领域中具有广阔的发展前景。

目前制备三维石墨烯复合电极材料采用的主要方法为：首先通过化学气相沉积法在基底层上生长三维石墨烯，再通过水热法或电化学沉积在三维石墨烯上复合金属氧化物等材料。然而，化学气相沉积法生长三维石墨烯需要900～1000℃的高温，生产成本高，且耗时较长；水热法在三维石墨烯上生长金属氧化物的步骤同样存在温度较高、耗时长的缺点，且该步骤的反应条件较苛刻；电化学沉积法是利用三维石墨烯作为工作电极，在金属盐溶液中进行电化学沉积，这种方法虽然工作温度较低，但是在电解过程中会发生多种电解反应，且复合材料的配比不易控制。因此，目前本领域中生产三维石墨烯复合电极材料的方法普遍存在方法复杂，生产时间长的缺陷，造成生产效率较低，不适合大规模生产。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种成本低、工艺简单、生产时间短，易于工业化生产的三维石墨烯复合电极材料的制备方法，使用该方法制备的三维石墨烯复合电极材料储能性好，且具有良好的循环性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

以金属基底为负极，贵金属电极为正极，在三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，得到表面沉积有三维石墨烯层的金属基底；

将所述表面沉积有三维石墨烯层的金属基底为负极，贵金属为正极，在金属氧化物胶体溶液中进行第二电泳涂装，得到三维石墨烯复合电极材料。

优选的，所述金属基底为泡沫金属或金属箔片；

所述泡沫金属为泡沫镍或泡沫铜；

所述金属箔片为铜箔或镍箔。

优选的，所述三维石墨烯胶体溶液中三维石墨烯的浓度为0.6～1.8mg/l。

优选的，所述第一电泳涂装的温度为25～35℃；涂装时间为3～5min；电场强度为80～120v/cm。

优选的，所述金属氧化物为ruo2、iro2、mno2、co3o4、nio或v2o5。

优选的，所述金属氧化物胶体溶液中金属氧化物的质量分数为10～20％。

优选的，所述第二电泳涂装的温度为25～35℃；涂装时间为3～5min；电场强度为60～80v/cm。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备的三维石墨烯复合电极材料，包括金属基底、沉积在金属基底表面的三维石墨烯层和沉积在三维石墨烯空隙及片层间的金属氧化物。

优选的，所述三维石墨烯层的厚度为8～12μm。

本发明还提供了上述方案所述的三维石墨烯复合电极材料在超级电容器中的应用。

本发明提供了一种三维石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：以金属基底为负极，贵金属电极为正极，在三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，得到表面沉积有三维石墨烯层的金属基底；将所述表面沉积有三维石墨烯层的金属基底为负极，贵金属为正极，在金属氧化物胶体溶液中进行第二电泳涂装，得到三维石墨烯复合电极材料。本发明提供的方法利用电泳涂装技术，仅需两步即可得到三维石墨烯复合电极材料，不需要苛刻的生产条件，操作简单，步骤少，成本低，易于工业化生产；进一步的，本发明提供的制备方法耗时较短，可以有效的提高生产效率。实施例表明，利用本发明提供的制备方法制备的三维石墨烯复合电极材料在1a/g电流密度下充放电时的比电容均为800f/g～1800f/g；循环1000周后容量保持率为88.3～99.4％。

附图说明

图1为本发明实施例制备三维石墨烯复合电极材料的流程图；

图2为本发明实施例1制备的石墨烯复合电极材料的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种三维石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

以金属基底为负极，贵金属电极为正极，在三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，得到表面沉积有三维石墨烯层的金属基底；

以所述表面沉积有三维石墨烯层的金属基底为负极，贵金属为正极，在金属氧化物胶体溶液中进行第二电泳涂装，得到三维石墨烯复合电极材料。

本发明以金属基底为负极，贵金属电极为正极，在三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，得到表面沉积有三维石墨烯层的金属基底。在本发明中，所述金属基底优选为泡沫金属或金属箔片；所述泡沫金属优选为泡沫镍或泡沫铜；所述泡沫金属的孔隙率优选为40～98％，更优选50～90％，最优选为60～70％；所述泡沫金属的比表面积优选为10～40cm²/cm³，更优选为20～30cm²/cm³；所述金属箔片优选为铜箔或镍箔。本发明对金属基底的厚度没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的厚度即可；本发明对金属基底的来源没有特殊要求，使用市场上购买的商品即可。

在本发明中，所述贵金属电极优选为铂电极、金电极或钯电极。本发明利用贵金属电极为正极，贵金属电极在电泳涂装液中是惰性的，在电泳沉积过程中不会发生电极反应，且沉积过程中极化小，更节省能源。

在本发明中，所述三维石墨烯胶体溶液中三维石墨烯的浓度优选为0.6～1.8mg/l，更优选为0.8～1.5mg/l，最优选为1～1.2mg/l。

在本发明中，所述三维石墨烯胶体溶液的制备方法优选包括以下步骤：

将三维石墨烯在酸液中浸泡30～50min，得到掺氢三维石墨烯；

将所述掺氢三维石墨烯分散在水和极性非质子溶剂的混合液中，得到三维石墨烯胶体溶液。

本发明将三维石墨烯在酸液中浸泡30～50min，得到掺氢的三维石墨烯。在本发明中，氢以氢离子的形式掺杂在三维石墨烯空隙中，氢离子的介入提高了三维石墨烯层间的介电作用，可以进一步提高三维石墨烯的分散效果；所述三维石墨烯和酸液的质量比优选为1:(150～180)，更优选为1:(160～170)；所述的酸液优选为盐酸、氢溴酸或硫酸，更优选为盐酸；所述盐酸优选为浓盐酸，所述浓盐酸的质量分数优选为37～38％；所述氢溴酸优选为浓氢溴酸，所述浓氢溴酸的质量分数优选为47～48％；所述硫酸的质量分数优选为30～40％，更优选为35～38％。

在本发明中，所述浸泡时间优选为35～45min，更优选为38～42min。本发明优选在搅拌条件下进行浸泡；所述搅拌的转速优选为300～400转/min，更优选为350～380转/min；本发明优选在室温条件下进行浸泡，无需额外的加热和降温。

本发明对三维石墨烯尺寸没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，可以使用三维石墨烯纳米碎片。本发明对三维石墨烯的来源没有特殊要求，使用市场上购买的商品或者自行制备均可；具体的制备方法如本领域技术人员熟知的溶液自组装法、界面自组装法和模板介导合成法等。

得到掺氢的三维石墨烯后，本发明优选将所述掺氢的三维石墨烯分散在水和极性非质子溶剂的混合液中，得到三维石墨烯胶体溶液。在本发明中，所述水和极性非质子溶剂的体积比优选为1：6～12，更优选为1:8～10。在本发明中，所述极性非质子溶剂优选为n-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和乙腈中的一种或几种的混合物；更优选为n-甲基吡咯烷酮和乙腈的混合物、二甲基甲酰胺和乙腈的混合物或二甲基亚砜和乙腈的混合物。在本发明中，当所述极性非质子溶剂为混合物时，所述n-甲基吡咯烷酮和乙腈的混合物中n-甲基吡咯烷酮和乙腈的体积比优选为1:0.5～2，更优选为1:1～1.5；所述二甲基甲酰胺和乙腈的混合物中二甲基甲酰胺和乙腈的体积比优选为1:0.5～2，更优选为1:1～1.5；所述二甲基亚砜和乙腈的混合物中二甲基亚砜和乙腈的体积比优选为1:0.5～2，更优选为1:1～1.5。

在本发明的具体实施例中，最优选将掺氢三维石墨烯分散在水、n-甲基吡咯烷酮和乙腈的混合物中，所述水、n-甲基吡咯烷酮和乙腈的体积比优选为1:(3～6):(3～6)。

本发明对所述水没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的水即可，具体的如去离子水；本发明利用水保持三维石墨烯的润湿性，使三维石墨烯能够呈现凝胶状态。

本发明对具体的分散方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的，能够将三维石墨烯分散均匀的方法即可，具体的如超声分散。

得到三维石墨烯胶体溶液后，本发明将作为负极的金属基底和作为正极的贵金属电极浸没于三维石墨烯胶体溶液中，进行第一电泳涂装；在本发明中，所述第一电泳涂装的温度优选为25～35℃，更优选为28～32℃，最优选为29～30℃；涂装时间优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min；电场强度优选为80～120v/cm，更优选为90～110v/cm，最优选为95～105v/cm。

本发明优选在直流电场条件下进行第一电泳涂装；本发明对第一电泳涂装使用的装置没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的电泳涂装装置即可。

第一电泳涂装完成后，本发明优选将所得表面沉积有三维石墨烯层的金属基底干燥，所述干燥的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃；所述干燥的时间优选为4～6h，更优选为4.5～5.5h。

本发明在电场的作用下，使三维石墨烯微粒向负极迁移并沉积在作为负极的金属基底上；在本发明中，沉积得到的三维石墨烯层厚度优选为8～12μm，更优选为9～11μm。

得到表面沉积有三维石墨烯层的金属基底后，本发明以所述表面沉积有三维石墨烯层的金属基底为负极，贵金属电极为正极，在金属氧化物胶体溶液中进行第二电泳涂装，得到三维石墨烯复合电极材料。在本发明中，所述贵金属电极的种类与上述方案一致，在此不再赘述。

在本发明中，所述金属氧化物优选为ruo2、iro2、mno2、co3o4、nio或v2o5；所述金属氧化物的粒径优选为100～500nm，更优选为150～400nm；所述金属氧化物胶体溶液中金属氧化物的质量分数优选为10～20％，更优选为13～18％，最优选为15～16％。

在本发明中，所述金属氧化物胶体溶液的制备方法优选包括以下步骤：

将金属氧化物、水和分散剂混合后进行分散，得到混合液；

将所述混合液的ph值调节至4～6.5，得到金属氧化物胶体溶液。

在本发明中，所述分散剂优选为聚乙烯亚胺、聚乙二醇和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物；所述分散剂的质量优选为金属氧化物质量的0.6～3％，更优选为1～2.5％；所述金属氧化物胶体溶液中金属氧化物的质量分数和上述方案一致，在此不再赘述。

本发明对所述的水没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的水即可，具体的如去离子水。

本发明对混合的具体方式没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的，能够将原料混合均匀的方式即可，具体的如搅拌混合。

本发明对具体的分散方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的，能够将金属氧化物分散均匀的方法即可，具体的如超声分散。

得到混合液后，本发明将所述混合液的ph值调节至4～5.5，优选为4.5～5；本发明优选使用盐酸溶液或氢氧化钠溶液调节混合液的ph值。

在本发明中，所述第二电泳涂装的温度优选为25～35℃，更优选为28～32℃，最优选为29～30℃；涂装时间优选为3～5min，更优选为3.5～4.5min；电场强度优选为60～80v/cm，更优选为65～75v/cm，最优选为71～73v/cm。

本发明优选在直流电场条件下进行第二电泳涂装；本发明对第二电泳涂装使用的装置没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的电泳涂装装置即可。

第二电泳涂装完成后，本发明优选将所得三维石墨烯复合电极材料干燥，所述干燥的温度优选为100～120℃，更优选为105～115℃；所述干燥的时间优选为8～12h，更优选为10～11h。

本发明通过第二电泳沉积，使金属氧化物向负极移动，沉积在三维石墨烯的空隙及片层间，增大了材料的比表面积。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备的三维石墨烯复合材料，包括金属基底、沉积在金属基底上表面的三维石墨烯层和沉积在三维石墨烯空隙及片层间的金属氧化物。在本发明中，所述三维石墨烯层的厚度优选为8～12μm，更优选为9～11μm。

在本发明中，所述金属氧化物的粒径优选为100～500nm，更优选为150～400nm。

本发明制备的三维石墨烯复合电极材料储能性好，具有良好的循环性能，实施例表明，利用本发明提供的制备方法制备的三维石墨烯复合电极材料在1a/g电流密度下充放电时的比电容均为800f/g～1800f/g；循环1000周后容量保持率为88.3～99.4％。

本发明提供了上述方案所述的三维石墨烯复合电极材料在超级电容器中的应用。本发明所述的三维石墨烯复合电极材料在应用过程中可以直接作为超级电容器的集电极，无需粘结剂，应用更加简便。

下面结合实施例对本发明提供的三维石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将三维石墨烯纳米碎片置于浓盐酸中，其中三维石墨烯︰浓盐酸的质量比为1︰150，搅拌30min，转速为350转/min，将搅拌后的溶液抽滤，得到掺杂h⁺的三维石墨烯；将得到的掺杂h⁺的三维石墨烯分散在h2o、n甲基吡咯烷酮和乙腈的混合溶液中(h2o、n甲基吡咯烷酮和乙腈的体积比为1:3:6)，得到三维石墨烯胶体溶液，控制胶体溶液中三维石墨烯的含量为1.0mg/l；

以泡沫镍为负极，pt片为正极，在所得三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，控制第一电泳涂装的电场强度为80v/cm，涂装温度为25℃，涂装时间为3分钟，涂装完成后在80℃干燥4小时，得到表面沉积有三维石墨烯的泡沫镍，三维石墨烯的沉积厚度为8.5μm；

将粒径约为200nm的mno2粉末分散在水溶液中，控制mno2在水溶液中的质量分数为20％，添加mno2用量2％的聚乙烯亚胺作为分散剂，并采用hcl调ph值至4.7左右，得到mno2胶体溶液；

以表面沉积有三维石墨烯的泡沫镍为负极，pt片为正极，在mno2胶体溶液进行第二电泳涂装，控制第二电泳涂装的电场强度为60v/cm，涂装温度为25℃，涂装时间为4分钟，涂装完成后在100℃干燥8小时，得到三维石墨烯复合电极材料。

制备过程的流程示意图如图1所示；

使用扫描电子显微镜对所得石墨烯复合电极材料进行观察，所得观察结果如图2所示，图2为所得石墨烯复合电极材料的扫描电子显微镜照片；根据图2可以看出，金属氧化物颗粒均匀的分散在石墨烯的孔隙和层间；

将所得石墨烯复合电极材料分别为工作电极和对电极进行恒流充放电实验，可得当电流密度为1a/g时，该材料比电容为1532f·g^-1，循环1000周后，比容量保持率为93.5％。

实施例2

将三维石墨烯纳米碎片置于浓盐酸中，其中三维石墨烯︰浓盐酸的质量比为1︰160，搅拌40min，转速为400转/min，将搅拌后的溶液抽滤，得到掺杂h⁺的三维石墨烯；将得到的掺杂h⁺的三维石墨烯分散在h2o、二甲基甲酰胺和乙腈的混合溶液中(h2o、二甲基甲酰胺和乙腈的体积比为1:4:5)，得到三维石墨烯胶体溶液，控制胶体溶液中三维石墨烯的含量为1.4mg/l；

以泡沫镍为负极，pt片为正极，在所得三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，控制第一电泳涂装的电场强度为90v/cm，涂装温度为35℃，涂装时间为3分钟，涂装完成后在80℃干燥4小时，得到表面沉积有三维石墨烯的泡沫镍，三维石墨烯的沉积厚度为9μm；

将粒径约为300nm的nio2粉末分散在水溶液中，控制nio2在水溶液中的质量分数为15％，添加nio2用量2.5％的聚丙烯酰胺作为分散剂，并采用hcl调ph至5.3左右，得到mno2胶体溶液；

以表面沉积有三维石墨烯的泡沫镍为负极，pt片为正极，在nio2胶体溶液进行第二电泳涂装，控制第二电泳涂装的电场强度为70v/cm，涂装温度为35℃，涂装时间为3分钟，涂装完成后在120℃干燥8小时，得到三维石墨烯复合电极材料。

将所得三维石墨烯复合电极材料分别为工作电极和对电极进行恒流充放电实验，可得当电流密度为1a/g时，该材料比电容为1668f·g^-1，循环1000周后比容量保持率为99.3％。

实施例3

将三维石墨烯纳米碎片置于浓盐酸中，其中三维石墨烯︰浓盐酸的质量比为1︰170，搅拌50min，转速为400转/min，将搅拌后的溶液抽滤，得到掺杂h⁺的三维石墨烯；将得到的掺杂h⁺的三维石墨烯分散在h2o、二甲基亚砜和乙腈的混合溶液中(h2o、二甲基亚砜和乙腈的体积比为1:3:6)，得到三维石墨烯胶体溶液，控制胶体溶液中三维石墨烯的含量为1.4mg/l；

以泡沫铜为负极，pd片为正极，在所得三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，控制第一电泳涂装的电场强度为100v/cm，涂装温度为30℃，涂装时间为4分钟，涂装完成后在60℃干燥4小时，得到表面沉积有三维石墨烯的泡沫镍，三维石墨烯的沉积厚度为11μm；

将粒径约为250nm的co3o4粉末分散在水溶液中，控制co3o4在水溶液中的质量分数为12％，添加co3o4用量2.2％的聚乙二醇作为分散剂，并采用hcl调ph至4.4左右，得到co3o4胶体溶液；

以表面沉积有三维石墨烯的泡沫铜为负极，pd片为正极，在co3o4胶体溶液进行第二电泳涂装，控制第二电泳涂装的电场强度为80v/cm，涂装温度为30℃，涂装时间为4分钟，涂装完成后在100℃干燥10小时，得到三维石墨烯复合电极材料。

将所得三维石墨烯复合电极材料分别为工作电极和对电极进行恒流充放电实验，可得当电流密度为1a/g时，该材料比电容为1832f·g^-1，循环1000周后比容量保持率为98.1％。

实施例4

将三维石墨烯纳米碎片置于浓盐酸中，其中三维石墨烯︰浓盐酸的质量比为1︰180，搅拌45min，转速为300转/min，将搅拌后的溶液抽滤，得到掺杂h⁺的三维石墨烯；将得到的掺杂h⁺的三维石墨烯分散在h2o、二甲基亚砜和乙腈的混合溶液中(h2o、二甲基亚砜和乙腈的体积比为1:3:6)，得到三维石墨烯胶体溶液，控制胶体溶液中三维石墨烯的含量为1.8mg/l；

以泡沫铜为负极，au片为正极，在所得三维石墨烯胶体溶液中进行第一电泳涂装，控制第一电泳涂装的电场强度为120v/cm，涂装温度为25℃，涂装时间为3分钟，涂装完成后在70℃干燥5小时，得到表面沉积有三维石墨烯的泡沫镍，三维石墨烯的沉积厚度为11μm；

将粒径约为450nm的v2o5粉末分散在水溶液中，控制v2o5在水溶液中的质量分数为12％，添加v2o5用量2.6％的聚乙二醇作为分散剂，并采用hcl调ph至6.4左右，得到v2o5胶体溶液；

以表面沉积有三维石墨烯的泡沫铜为负极，au片为正极，在v2o5胶体溶液进行第二电泳涂装，控制第二电泳涂装的电场强度为60v/cm，涂装温度为25℃，涂装时间为5分钟，涂装完成后在100℃干燥12小时，得到三维石墨烯复合电极材料。

将所得三维石墨烯复合电极材料分别为工作电极和对电极进行恒流充放电实验，可得当电流密度为1a/g时，该材料比电容为805f·g^-1，循环1000周比容量保持率为89.1％。

由以上实施例可知，本发明提供的三维石墨烯复合电极材料的制备方法步骤简单，成本低，易于自动化控制，且制备时间短，效率高，容易进行工业化生产，且利用本发明的制备方法得到的三维石墨烯复合电极材料储能性好，循环性能好。

由以上实施例可知，本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。