[发明专利]具有高电化学电容性能的管状石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种具有高电化学电容性能的管状石墨烯的制备方法。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件,它与目前广泛使用的各种储能器件相比,其电荷存储能力远高于物理电容器,充放电速度和效率又优二次电池。此外,超级电容器还具有对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性能高等特点,因而在新能源技术中占有日益显现的重要地位（Chinese SciBull, 2011, 56: 2092?2097）。碳纳米管和石墨烯是近年来备受关注的新型碳材料,因其独特的结构性能而在超级电容器电极材料方面获得应用。

然而, 在实际过程中, 这两种材料都有各自的局限性。石墨烯由于范德华力的作用常常出现团聚或重新堆垛的现象, 导致其电容性能难以彰显；碳纳米管由于电解质离子难以渗透至管壁内侧和较低的亲水性而常常表现出较低的电容，对于多壁碳纳米管尤为严重。因此，如何修饰和优化二者的结构进而提高其电容性能，是目前研究的热点和难点。专利（101559940B，2009）公开了一种碳纳米管的电化学改性处理方法，在电解质溶液中，以碳纳米管作为电极材料，并通过电化学仪器，采用各种电化学方法对碳纳米管电极进行施加电压或者电流处理改性。通过对碳纳米管进行改性处理之后，碳纳米管的比表面面积显著增大，亲水性明显增强，电荷容量，充放电电流密度，循环次数等电容性质也得到显著地提高。

本发明试图通过化学方法，以多壁碳纳米管为原料，来制备介于一维碳纳米管和二维石墨烯结构之间的中间体，并证明其电容性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高电化学电容性能的管状石墨烯的制备方法，制备出的管状石墨烯一方面形成了石墨烯的结构，另一方面，又部分继承了原始碳纳米管的结构，具有良好的电化学性能，实验操作简便。

本发明提出的具有高电化学电容性能的管状石墨烯的制备方法，具体步骤如下：

(1) Hummers法氧化：

    2～4g多壁碳纳米管和1～2g硝酸钠分散在46～92 mL浓硫酸中，在冰水浴中搅拌50-60分钟，6～12 g高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，控制温度不超过20℃，移除冰水浴，在32-36℃下搅拌50-70分钟；然后，在上述溶液中，缓慢加入92 mL水；最后加入20～50 mL H₂O₂ (30%) 和 200～400 mL水；离心洗涤，真空干燥；

(2) NaBH₄还原：

将得到的物质超声分散在50～100 mL水中，再加入500 mg NaBH₄，搅拌18-26小时；离心洗涤，真空干燥，即得到管状石墨烯。

电容性能测试：

用所得样品、乙炔黑与聚四氟乙烯按75%∶20%∶5%的质量比混合制作电极材料，先将前三者充分研磨后再加入聚四氟乙烯的乳液使其混合均匀，然后均匀地涂在1 cm×1 cm泡沫镍网上。采用三电极体系在1 M KOH溶液中进行电化学测试。涂有电极材料的泡沫镍网作为工作电极，铂网和饱和甘汞电极分别作为辅助电极和参比电极。

本发明的有益效果在于：利用一种简单易行并且适合大规模生产的化学方法将商业化的多壁碳纳米管不仅从横向切断，而且沿纵向打开，形成了具有特定结构和性能的管状石墨烯。当应用于电化学储能材料时，由于该石墨烯具有较大的比表面积和反应活性点，从而表现出比多壁碳纳米管更高的能量密度。

附图说明

图1为本发明制备过程示意图。

图2为多壁碳纳米管的场发射扫描电镜图。

图3为管状石墨烯的场发射扫描电镜图。

图4为多壁碳纳米管的投射电镜图。

图5为管状石墨烯的投射电镜图。

图6为多壁碳纳米管和管状石墨烯的氮气吸脱附曲线。

图7为多壁碳纳米管和管状石墨烯在50 mV s^-1的循环伏安曲线.。

图8为多壁碳纳米管和管状石墨烯在1 A g^-1的充放电曲线。

图9为多壁碳纳米管和管状石墨烯在不同电流密度下的比电容值。

图10为管状石墨烯在5 A g ^-1的循环寿命图。

具体实施方式