[发明专利]一种垂直取向石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，公开了一种垂直取向石墨烯及其制备方法和应用。通过电沉积技术在泡沫镍上生长垂直取向的石墨烯，然后以泡沫镍上生长的垂直取向石墨烯为基底，把二氧化锰沉积在基底上制得复合材料。本发明的方法和所需设备要求简单、条件易控、安全且成本低，所制得的石墨烯，拥有较大的比表面积，将其和二氧化锰复合所得的复合材料具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种垂直取向石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

垂直石墨烯由于其独特的结构特性，包括其非团聚性的形貌特征和极大的比表面积而备受关注。垂直石墨烯也称为碳纳米壁，是由多层石墨烯组成石墨烯片结构垂直站立在基底上形成的具有贯穿通道以及丰富边缘的石墨烯材料。作为一种典型的取向材料，与传统的水平石墨烯相比，垂直石墨烯在形貌上有以下明显优势：垂直取向性生长避免了水平结构的层间堆叠，提高了比表面积的利用率；暴露的边缘提供了化学修饰位点，同时也有极高的导电性和电化学活性；垂直的网络结构形成了传输的通道，有利于离子在通道内扩散以及电子在石墨烯片层间传递。目前垂直石墨烯的制备有热化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法。由于化学气相沉积法，需要的设备复杂、条件苛刻涉及高温真空、成本高，且只能得到纯的石墨烯材料，材料应用范围窄。电沉积技术简单、快速、低廉，通过选用合适的复合组分，可制备出多种复合材料，应用范围宽。

二氧化锰具有廉价、储量丰富、环境友好、比电容高、电压窗口宽等优点，但是较差的导电性和可逆性限制了二氧化锰电极材料的实际应用，因此将二氧化锰与导电性良好的石墨烯进行复合，所制得的石墨烯/二氧化锰复合材料，一方面可以发挥石墨烯导电率高、比表面积大等特点；另一方面垂直石墨烯和二氧化锰的协同效应，可以使复合材料具有良好的电化学性能。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种垂直取向石墨烯的制备方法；该方法是一种简单的电沉积技术，在泡沫镍上直接生长垂直取向的石墨烯，所得石墨烯拥有较大的比表面积。

本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的垂直取向石墨烯。

本发明的再一目的在于提供一种上述垂直取向石墨烯的应用；该应用是以泡沫镍上生长垂直取向的石墨烯为基底，之后利用电沉积法在基底上直接沉积二氧化锰，制得具有良好的电化学性能的复合材料。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种垂直取向石墨烯的制备方法，按照以下操作步骤：

(1)泡沫镍片进行预处理：将泡沫镍切成1cm×2cm薄片，先后用盐酸、去离子水、乙醇进行超声清洗，然后烘干；

(2)配制氧化石墨烯分散液和氯钯酸钠溶液的混合液，以混合液为电解液，以步骤(1)烘干后的泡沫镍片为工作电极，在磁力搅拌下，利用循环伏安法进行沉积，然后取出泡沫镍片进行清洗、烘干，在泡沫镍片上获得垂直取向的石墨烯。

步骤(2)中所述的氧化石墨烯分散液的浓度为0.1-1g/L，所述的氯钯酸钠溶液浓度为1mmol/L-10mmol/L；所述氧化石墨烯分散液和氯钯酸钠溶液按照体积比1:1混合形成混合液。

步骤(2)中所述沉积的圈数为5-30圈。

步骤(2)中所述清洗是用去离子水进行清洗。

一种由上述的制备方法制备得到的垂直取向石墨烯。

上述的垂直取向石墨烯在制备垂直取向石墨烯/二氧化锰复合材料中的应用，所述应用按照以下步骤：配制醋酸锰和硫酸钠混合液，以该混合液为电解液，以泡沫镍片上的垂直取向石墨烯为工作电极，0.6V恒电位电解，取出工作电极进行清洗，烘干，获得一种垂直取向石墨烯/二氧化锰复合材料。