一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法技术

一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，本发明专利技术涉及石墨烯超级电容器电极材料的制备方法。本发明专利技术要解决现有石墨烯制备方法中，温度过高可能会引起石墨烯结构性质的变化和石墨烯褶皱的形成，阻碍了电荷的传输，使电荷湮灭几率增大，且由于石墨烯的疏水性，使石墨烯与电解液之间不能很好地润湿，导致电荷传导和存储的有效面积大大降低的问题。方法：将基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，通入氩气，调节压强并升温，通入碳源气体，进行沉积，沉积结束后，停止通入碳源气体，进行射频等离子体刻蚀，射频等离子体刻蚀结束后，冷却至室温。本发明专利技术用于一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法
本专利技术涉及石墨烯超级电容器电极材料的制备方法。
技术介绍
随着信息化时代的到来，人们对储能设备有了更高的要求。超级电容器具有目前应用广泛的锂电池无法比拟的优势：功率密度高，充放电速率快，循环寿命达万次以上，工作温度范围宽等。因此，超级电容器目前在汽车、消费性电子产品等行业已得到了广泛的应用。如何提高超级电容器的能量密度，高性能电极材料的开发是关键技术之一。目前，碳纳米材料由于具有良好的电学和机械性能、抗腐蚀性、化学及高温稳定性等诸多优势，是超级电容器理想的电极材料之一。使用石墨烯制造超级电容器，可以很好的解决其他碳材料比表面小、导电性差、比容量小等问题，比目前所有的超级电容器的能量存储密度都高。然而，在传统石墨烯制备方法中，温度过高可能会引起石墨烯结构性质的变化和石墨烯褶皱的形成，最主要的是无法控制石墨烯的层数，易发生堆叠。大量堆叠的石墨烯不仅阻碍了电荷的传输，使电荷湮灭几率增大，也导致电荷传导和存储的有效面积大大降低。同时，由于石墨烯的疏水本质，使石墨烯与电解液之间不能很好地润湿，进一步降低电荷传导和存储的有效面积。因此，石墨烯超级电容器电极材料一般性能较低，无法满足实际需求。然而，尽管采用一系列防止堆叠的方式来保证石墨烯的高表面，但通常效果不佳。
技术实现思路
本专利技术要解决现有石墨烯制备方法中，温度过高可能会引起石墨烯结构性质的变化和石墨烯褶皱的形成，阻碍了电荷的传输，使电荷湮灭几率增大，且由于石墨烯的疏水性，使石墨烯与电解液之间不能很好地润湿，导致电荷传导和存储的有效面积大大降低的问题，而提供一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法。一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：一、将基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氩气气氛下，以升温速率为30℃/min将温度升温至为700℃～900℃；二、通入碳源气体，调节碳源气体的气体流量为5sccm～35sccm、氩气的气体流量为80sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～1000Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为150W～250W、压强为200Pa～1000Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行沉积，沉积时间为40min～80min；三、沉积结束后，停止通入碳源气体，抽真空至压强为5Pa以下，继续通入氩气，调节氩气的气体流量为10sccm～50sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为50W～200W、压强为100Pa～300Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行射频等离子体刻蚀，射频时间为10s～300s；四、射频等离子体刻蚀结束后，关闭射频电源和加热电源，继续以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，在氩气气氛下从温度为700℃～900℃冷却至室温，即得到高比电容石墨烯超级电容器电极材料。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用等离子体增强化学气相沉积方法，在衬底材料上沉积出少层石墨烯，基底铂薄膜不仅具有优异的导电性能，可直接用作集电体使用，而且在化学气相沉积过程中所形成的独特三维结构有效地增加了比表面积。2、本专利技术引入了等离子体的反应增强和刻蚀作用，不仅避免了利用高温来热解碳源气体，而且极大地提高了碳源气体的分解效率。基底材料在沉积前预退火处理形成的独特三维结构有效地增加了比表面积。用等离子体气相沉积法制备的石墨烯直接垂直生长在基底表面，不仅不会发生堆叠现象，而且与表面结合很好。竖直生长的石墨烯参与电荷储存的边缘平面可以直接接触，减少电荷存储的再分配，从而增加储存能力和减小电荷湮灭几率；开放性的结构使材料的多孔效应大为降低，减小离子阻力；石墨烯不光本身导电性能好，而且可以在导电性能优异的材料表面生长，减小了电子阻力。通过利用氩离子刻蚀后的原位垂直生长的石墨烯，在垂直生长石墨烯表面引入大量缺陷，显著地改善了石墨烯与电解液之间的润湿性，进而提升超级电容器的电化学性能。3、本专利技术方法简单，高效，低成本，便于工业化生产，制备得到的石墨烯质量高，在微纳米电子器件、太阳能电池电极、光电转换器、透明导电薄膜等领域具有良好的应用前景。本专利技术用于一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法。附图说明图1为实施例一制备氩等离子体刻蚀前石墨烯的扫描电镜图片；图2为实施例一制备氩等离子体刻蚀后高比电容石墨烯的扫描电镜图片；图3为实施例一制备高比电容石墨烯的拉曼光谱；1为D峰，2为G峰，3为2D峰；图4为实施例一制备高比电容石墨烯的透射电镜图片；图5为实施例一制备高比电容石墨烯材料作为电极材料的电化学测试结果，1为扫速50mV/s；2为扫速20mV/s；3为扫速10mV/s；4为扫速5mV/s；5为扫速2mV/s。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式所述的一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：一、将基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氩气气氛下，以升温速率为30℃/min将温度升温至为700℃～900℃；二、通入碳源气体，调节碳源气体的气体流量为5sccm～35sccm、氩气的气体流量为80sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～1000Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为150W～250W、压强为200Pa～1000Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行沉积，沉积时间为40min～80min；三、沉积结束后，停止通入碳源气体，抽真空至压强为5Pa以下，继续通入氩气，调节氩气的气体流量为10sccm～50sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为50W～200W、压强为100Pa～300Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行射频等离子体刻蚀，射频时间为10s～300s；四、射频等离子体刻蚀结束后，关闭射频电源和加热电源，继续以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，在氩气气氛下从温度为700℃～900℃冷却至室温，即得到高比电容石墨烯超级电容器电极材料。本实施方式的有益效果是：1、本实施方式利用等离子体增强化学气相沉积方法，在衬底材料上沉积出少层石墨烯，基底铂薄膜不仅具有优异的导电性能，可直接用作集电体使用，而且在化学气相沉积过程中所形成的独特三维结构有效地增加了比表面积。2、本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、将基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氩气气氛下，以升温速率为30℃/min将温度升温至为700℃～900℃；二、通入碳源气体，调节碳源气体的气体流量为5sccm～35sccm、氩气的气体流量为80sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～1000Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为150W～250W、压强为200Pa～1000Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行沉积，沉积时间为40min～80min；三、沉积结束后，停止通入碳源气体，抽真空至压强为5Pa以下，继续通入氩气，调节氩气的气体流量为10sccm～50sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为50W～200W、压强为100Pa～300Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行射频等离子体刻蚀，射频时间为10s～300s；四、射频等离子体刻蚀结束后，关闭射频电源和加热电源，继续以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，在氩气气氛下从温度为700℃～900℃冷却至室温，即得到高比电容石墨烯超级电容器电极材料。...

【技术特征摘要】
1.一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于一种高比电容石墨烯超级电容器电极材料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、将基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，以气体流量为10sccm～50sccm通入氩气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氩气气氛下，以升温速率为30℃/min将温度升温至为700℃～900℃；步骤一中所述的基底材料为铂硅衬底材料，铂硅衬底材料中铂厚度为100nm～500nm；二、通入碳源气体，调节碳源气体的气体流量为5sccm～35sccm、氩气的气体流量为80sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为600Pa～1000Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为150W～250W、压强为600Pa～1000Pa和温度为700℃～900℃的条件下进行沉积，沉积时间为60min～80min；三、沉积结束后，停止通入碳源气体，抽真空至压强为5Pa以下，继续通入氩气，调节氩气的气体流量为40sccm～50sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～300Pa，然后在沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓钧雷，王旭，张夫，费维栋，冯吉才，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23