[发明专利]一种石墨烯含液凝胶薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯材料的制备方法，具体涉及一种石墨烯含液凝胶薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种独特的纯二维材料，具有优良的导电性，巨大的理论比表面积，稳定的物理化学性质。巨大的比表面积与稳定的性质，可以使石墨烯在大工作电压和电流的条件下保持稳定的性能，大大增加了工作循环次数。优良的导电性使其作为电极时能降低器件的内阻，保证器件的稳定。这些优点，使得石墨烯有望成为新一代超级电容器的电极材料。

液体凝胶是一种溶胀于某种液体但不溶于其中的聚合物。凝胶内部具有大量三维孔洞结构，其尺寸由几百纳米到几百微米不等。所以，凝胶是一种比表面积极大的材料。将石墨烯微片制备成为凝胶薄膜，是目前将石墨烯应用到超级电容器作为电极材料的尝试之一。其中，稳定的石墨烯胶体分散液通过定向抽滤的办法，在过滤膜上会形成一层稳定的石墨烯液体凝胶薄膜。这种薄膜的导电性好，比表面积高，在应用到超级电容器上可以达到很高的比电容。然而，因为石墨烯液体凝胶薄膜的较大的厚度，超级电容器与其他储能器件相比较低的能量密度并没有显著的提高。同时，这种凝胶薄膜在制备过程中，石墨烯容易发生重新堆叠，变成石墨，导电性大大降低。同时，这也造成了凝胶内部的三维孔洞网络塌缩，比表面积降低。这对石墨烯凝胶薄膜在超级电容器上的应用是不利的。

发明内容

本发明的目的是要提供一种石墨烯含液凝胶薄膜的制备方法，这种方法通过毛细作用既保留了石墨烯凝胶薄膜内部三维孔洞结构，保证了石墨烯良好的导电性和极大的比表面积，同时大大减小了石墨烯凝胶薄膜厚度；利用这种制备方法可以提高石墨烯凝胶薄膜作为超级电容器柔性电极的能量密度。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种石墨烯含液凝胶薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯微片加入装有分散剂的烧杯中，然后将超声破碎仪置于烧杯内部，以功率200W超声处理2小时后，石墨烯微片分散于去分散剂中，成为石墨烯微片胶体分散液；

(2)将石墨烯微片胶体分散液用孔径为0.05-2μm的微孔过滤膜抽滤后得到石墨烯凝胶薄膜；

(3)使用去离子水浸泡处理上述石墨烯凝胶薄膜，浸泡处理的时间为6-48小时，并同时用300-600转/分的速度连续机械搅拌，从而使上述凝胶薄膜中所含的分散剂充分被去离子水交换，得到石墨烯水凝胶薄膜；

(4)使用挥发性液体与非挥发性液体混合溶液浸泡处理上述石墨烯水凝胶薄膜，浸泡处理的时间为6-48小时，并同时用300-600转/分的速度连续机械搅拌，从而使上述凝胶薄膜中所含的水充分被混合溶液交换；

(5)将上述混合溶液处理过的凝胶薄膜在气氛下真空干燥，去除挥发性液体，而得到只有非挥发性液体保留在凝胶薄膜中的石墨烯含液凝胶薄膜。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(1)中石墨烯胶体分散液中的石墨烯微片浓度为0.05-3mg/ml。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(1)中分散剂为去离子水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)或二甲基甲醯胺(DMF)中的一种。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(1)中的微孔过滤膜为聚丙烯(PP)膜、聚砜(PES)膜、聚四氟乙烯(PTFE)膜、尼龙膜、混合纤维素酯膜或聚偏二氟乙烯(PVDF)膜中的一种。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(3)中非挥发性液体的浓度为0.001-10摩尔/升，非挥发性液体为浓硫酸、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIPF6)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)或N，N-二甲基-N-乙基-N-2-甲氧基乙基铵二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(DEMENTf2)中的一种，所述挥发性液体为去离子水、乙醇、丙酮、二氯甲烷、丙酸、碳酸丙烯酯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或乙腈中的一种。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(5)中，气氛为空气、氮气、氩气或氦气中的一种，真空干燥的压力为0.01-10Pa；时间为12-48小时；温度为40-80℃。