[发明专利]一种石墨烯/黑磷柔性纤维状超级电容器电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯/黑磷柔性纤维状超级电容器电极材料的制备方法，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)分散液，采用机械剥离法制备二维纳米片BP分散液，并对二者的混合液进行超声处理得到GO/BP复合纤维纺丝溶液，然后以湿法纺丝和化学还原法对上述纺丝液进行挤出、旋转凝固、干燥和还原过程得到rGO/BP复合纤维。以聚乙烯醇和磷酸为原料制备凝胶电解质，rGO/BP复合纤维作为电极材料，组装成柔性纤维状对称超级电容器。本发明操作流程可控且工艺简单，所制备的柔性纤维状对称超级电容器电极材料具有环境友好、比电容高、柔韧性好、力学性能优良、可编织等特点，在可穿戴电子设备等领域具有很好的应用潜力。

技术领域

本发明属于纳米能源材料领域，涉及一种石墨烯/黑磷柔性纤维状超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

近年来，可穿戴电子设备(如智能健康设备、电子皮肤和植入式医疗设备等)快速发展，已广泛应用于我们生产生活的各个方面。柔性超级电容器作为一种新兴的储能器件，具有高功率密度、长循环稳定性且可快速充放电的特性，因此在可穿戴电子设备的电力供应领域具有很大的应用潜力。相较于二维平面状超级电容器(柔韧性、耐磨性和可编织性等方面较差)，一维纤维状超级电容器具有良好的柔韧性和弯曲性，并更易与可穿戴电子设备进行集成，因此获得了研究者极大的兴趣。

石墨烯是由sp²杂化的单层碳原子所形成的蜂窝点阵状平面结构，理论上，完美石墨烯的高度只有0.335nm，恰好为一个碳原子的高度，是目前已知的最薄的纳米材料。石墨烯中碳原子间的联系非常紧密，同一个平面上的碳原子p轨道相互重叠，形成大π键，使石墨烯拥有优异的电子传输特性和良好的导电性。经测量，石墨烯的载流子迁移率可以达到200000cm²/(V·s)，远高于目前商用的半导体材料，且迁移率稳定，在10～100K之间不会随温度的变化而变化。室温条件下，石墨烯的导电率为10⁸S/m，高于一般金属材料，是目前已知的导电性最好的材料，除此之外，石墨烯所表现出反常霍尔效应、隧道效应、双极电场效应都让这个材料有着广阔的应用前景。

自2010年氧化石墨烯液晶相发现后，科学家们首次采用液晶湿法纺丝的方式制备出了连续的石墨烯纤维，使二维石墨烯纳米材料组装为宏观的纤维材料成为了可能。随着制备工艺的不断完善，石墨烯纤维的机械性能和电学性能已经有了不同程度的提高，有望成为结构功能一体化材料。但是，目前石墨烯纤维和单个石墨烯片层之间的性能仍然存在着差距。从宏观角度上来说，主要是由于石墨烯纤维中存在随机取向的石墨烯片层，随机取向的片层会导致纤维结构的不规整，而不规整的结构通常会使纤维表现出较差的机械性能和电学性能。从微观角度上来说，由于纺丝过程中靠近纺丝通道壁的部分受力较大，形成的结构较为致密，中间部分受力较小，结构上较为松散，纺丝出的纤维存在核-壳的结构，从而极大的限制了纤维的机械与物理性能。因此，石墨烯纤维的性能仍有待提高，而纤维的缺陷管理与结构控制对纤维性能的提升存在着重要的意义。

二维纳米片层BP与石墨烯在结构上极为相似，都是由单一元素构成，且有着独特扶手椅晶体结构的层状材料，每个P原子与三个相邻的P原子以共价键结合，面内键长为键角为96.3°。BP因诱人的电子特性和光学的各向异性而在纳米电子学和光电子学中引起极大的关注，据报道，BP兼具合适的带隙(0.3-2eV)与高载流子迁移率(1000cm²/(V·s))，经计算单层BP的理论比表面积可以达到2400m²/g，同时具有300S/m的良好电导率，这些特性使得BP有望成为一种具有吸引力的电极材料。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种石墨烯/黑磷柔性纤维状超级电容器电极材料的制备方法，根据柔性复合纤维中掺杂组分对超级电容器电化学性能的影响以及现有技术存在的问题，本发明公开了一种具有良好的柔韧性、导电性好、环境友好且比电容高的rGO/BP柔性纤维状超级电容器电极材料的制备方法。

技术方案