[发明专利]一种石墨烯膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯膜领域，具体涉及一种石墨烯膜及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种理论上只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列也保持结构稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于石墨烯具有优异的导电性，自2004年被英国曼彻斯特大学研究组发现后，不断有新的成果被报道。

石墨烯在超级电容器等储能器件上的应用，特别是高导电性柔性石墨烯膜能够满足现代社会对新型电极材料的需要，已经成为当今科研工作者研究的热点。现代生产需要特殊形状超级电容器，所以需要制备可裁减成不同形状和厚度的电极，但石墨烯膜在成膜过程中往往因为强度不高而容易破裂，不易得到完整的大尺寸的石墨烯膜。

虽然有文献报道由水合肼还原氧化石墨烯真空抽滤可以得到用于储电的石墨烯膜，但这种方法往往需要用到价格昂贵的阳极氧化铝滤膜，同时也无法克服石墨烯纳米片自发堆叠效应，导致作为电极材料组装的储电器件，循环使用性能的下降。如果采用有机滤膜抽膜往往使得制备的石墨烯膜难以从滤膜上完整的剥离下来，破坏了膜的完整性，即使小心剥离因为石墨烯膜强度不高也很容易破裂，无法作为整体作为电极材料使用，失去了石墨烯膜本身的意义。

因此有的研究者将氧化石墨烯冷冻干燥后，通过高压压制成氧化石墨烯膜后通过氢碘酸还原成石墨烯膜电极，这种方法得到的石墨烯膜虽然导电性好，有很好的机械强度，但比表面积小，若制备成超级电容器的电极材料则比容量低，储能有限，另外由于石墨烯表面疏水，电解液与电极接触电阻大，不利于在大电流密度下充放电。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯膜的制备方法，该方法所制备的石墨烯膜用作超级电容器电极时，在具有很好的机械强度和导电性的前提下，同时具有高比电容量、低内阻、低电压降、柔韧性好等诸多优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯膜，所述石墨烯膜由皱褶状石墨烯叠层组成，石墨烯膜中含有导电纳米颗粒；所述石墨烯膜的比表面积为180m²/g～300m²/g。

所述石墨烯膜中，在叠层和褶皱间填充有空气，存在大量孔隙，所述导电纳米颗粒均匀分布在所述叠层中。

其中，所述石墨烯膜由包括氧化石墨烯的原料经加热还原和化学还原两步还原制得。

根据本发明，所述石墨烯膜的比表面积为200m²/g～250m²/g。

根据本发明，所述导电纳米颗粒的粒径为50nm～500nm。

根据本发明，所述导电纳米颗粒选自乙炔黑、科琴黑、纳米碳球、导电炭黑等具有良好导电性的纳米材料中的至少一种。

根据本发明，所述石墨烯膜的厚度为10nm～500nm，优选为100nm～200nm。

根据本发明，所述石墨烯膜是通过下述的石墨烯膜的制备方法制备得到的。

根据本发明，所述石墨烯膜在具有电导率高、柔韧性好和一定的机械强度的同时，还具有高比电容量、低内阻、低电压降和优异的循环使用性能。

本发明还提供如下技术方案：

一种石墨烯膜的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯、导电纳米颗粒分散在水和有机溶剂混合溶剂中，制备氧化石墨烯分散液；

(2)将氧化石墨烯分散液浓缩、冷冻干燥，制备氧化石墨烯气凝胶；

(3)将氧化石墨烯气凝胶压制，制备氧化石墨烯膜；

(4)将氧化石墨烯膜加热还原，制备一次还原的石墨烯膜；

(5)将一次还原的石墨烯膜浸渍在还原剂溶液中，以化学还原法制备二次还原的石墨烯膜。

根据本发明，步骤(1)中，氧化石墨烯是以石墨粉为原料，采用Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法和Hummers改进法中的至少一种化学法制备。

根据本发明，所述导电纳米颗粒选自乙炔黑、科琴黑、纳米碳球、导电炭黑等具有良好导电性的纳米材料中的至少一种。