一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法，将氧化石墨烯冷冻干燥，分散在溶剂中，获得浓度为1～10mg/ml的氧化石墨烯分散液；将富勒烯分散于第二溶剂中，获得浓度为1～3mg/ml的富勒烯分散液；将氧化石墨烯分散液和富勒烯分散液混合，富勒烯与氧化石墨烯的质量比控制在1:1～1:15；磁力搅拌0.5～3h，再进行水热反应或溶剂热反应，反应压力为0.5‑5Mpa，反应温度为100～220℃；将所得到的产物进行洗涤干燥，即可得到石墨烯/富勒烯杂化材料。采用本发明专利技术的方法所制得的石墨烯/富勒烯杂化材料作为超级电容器电极材料时表现出较高的能量存储能力，并且制备方法简单、环保，拥有良好的市场前景。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法和应用
本专利技术属于材料学领域，涉及一种电极材料，具体来说是一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法和应用。
技术介绍
随着化石能源的枯竭及气候变暖，能源危机和环境问题已成为全人类面临的共同难题，可再生能源的开发和高效利用是应对这一问题的关键之一，并且随着便携式电子设备的普及以及电动/混合动力汽车的快速发展，高性能能源存储设备的研发越来越受到社会的广泛关注。超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件,兼具两者的优点,如功率密度高、能量转换效率高、循环寿命长、可快速充放电等特性。石墨烯是一种二维的新型碳材料，以其巨大的比表面积，超高的载流子迁移率，良好的导电性和机械强度成为科学研究的热点材料，在储能方面，通常作为超级电容器电极材料的载体。富勒烯同样以其独特的结构和性质(如富勒烯球状分子内外表面有60个π电子，组成三维π电子共轭体系,具有很强的电子亲和力和还原性，掺入碱金属等原子则具有超导性)而倍受各国研究人员的关注。中国专利CN106847535A公开了一种石墨烯/富勒烯复合材料及制备方法和用途，其也可作为超级电容器中的电极材料，但所制得的复合材料杂质含量较高，制备方法较为繁琐，并且相较于主流的超级电容器，其储能容量并不理想。基于这些情况，开发一种简单环保的制备方法对推动“石墨烯/富勒烯杂化材料”的产业化将起到至关重要的作用。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法和应用，所述的这种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法和应用要解决现有技术存在的石墨烯/富勒烯复合材料制备过程繁琐、成本高、能耗大的技术问题。本专利技术提供了一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法，包括如下步骤：1)将氧化石墨烯冷冻干燥，然后分散在第一溶剂中，获得浓度为1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯分散液；2)将富勒烯分散于第二溶剂中，获得浓度为1mg/mL～3mg/mL的富勒烯分散液；3)将氧化石墨烯分散液与富勒烯分散液混合均匀，富勒烯与氧化石墨烯的质量比在1:1～1:15之间；磁力搅拌0.5～3h；4)将步骤3)的混合液装入聚四氟乙烯反应釜中进行高温高压反应，反应压力为0.5-5Mpa，反应温度为100～220℃，时间为5～20h；5)将步骤4)所得到的产物进行洗涤，然后干燥，即可得到石墨烯/富勒烯杂化材料。进一步的，所述的分散为磁力搅拌、高剪切混合、超声分散方法中的任意一种。进一步的，所述的第一溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙二醇、三乙二醇、甲醇、去离子水、二乙胺、三乙胺、乙腈中的任意一种或者一种以上的组合。进一步的，所述的第二溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙二醇、三乙二醇、甲醇、去离子水、二乙胺、三乙胺、乙腈中的任意一种或者一种以上的组合。进一步的，所述步骤5)中，干燥为真空干燥、冷冻干燥、常压干燥中的任意一种。本专利技术还提供了一种超级电容器，采用上述的方法获得石墨烯/富勒烯杂化材料制备而成。本专利技术采用水热法或溶剂热法，将氧化石墨烯粉末和富勒烯分别以不同的比例分散于溶剂中，分散均匀后混合在一起，再进行磁力搅拌0.5～3h，然后将此混合液体装入聚四氟乙烯反应釜中，在100～220℃，0.5-5Mpa下反应5～20h。冷却到室温后，进行干燥得到海绵状的三维石墨烯/富勒烯柱状杂化物。本专利技术提出采用水热法或溶剂热法，使得氧化石墨烯和富勒烯在高温高压下进行相互作用得到石墨烯/富勒烯杂化物。纯石墨烯纳米片之间由于存在范德华作用力以及π-π作用力通常容易堆叠在一起，从而导致合成的三维还原氧化石墨烯的多孔结构并不是非常理想，孔壁较厚，比表面积不够大，所以在充当电极材料时性能还不能达到理想状态，本次专利技术中所采用的富勒烯由于其具有独特的笼状结构以及良好的电子传导特性，所以将其作为掺杂物与氧化石墨烯在高温高压条件下相互作用形成新的化学键，从而可以得到层次更丰富的多孔结构，内部的比表面积更大，并且相对于纯石墨烯而言电荷转移的速度更快，当应用在超级电容器中时能够很大的提高电极材料的能量密度。作为超级电容器电极材料时表现出较高的能量存储能力，并且制备方法简单、环保。本专利技术和已有技术相比，其技术进步是显著的。本专利技术提出水热法及溶剂热法制备石墨烯/富勒烯杂化材料，以氧化石墨烯和富勒烯为主体，利用高温高压的环境条件使两者之间形成新的化学键，得到的三维多孔柱状物的内部孔结构层次更加丰富，介孔数量增多，比表面积更大，孔间电荷转移速度更快，可有效制备储能容量更高的石墨烯基电极材料。采用本专利技术所制备的石墨烯/富勒烯杂化材料在1A/g电流密度条件下其比电容可达到380F/g。并且本专利技术工艺流程简单易行，可控性好，成本低，效率高，可大批量制备，有望实现大规模工业化生产，更广泛地应用于各种电子设备、电动汽车、风力发电、轨道交通以及重型机械中。附图说明图1为实施例1中所制备的石墨烯/富勒烯杂化材料的光学照片。图2为实施例1中所制备的石墨烯/富勒烯杂化材料的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3为实施例1中所制备的石墨烯/富勒烯杂化材料的交流阻抗图。具体实施方式以下结合具体的实施例对本专利技术进行详细说明，所述实施例仅仅是帮助理解本专利技术，不应该视为对本专利技术的具体限制。实施例11)将40mg冷冻干燥的氧化石墨烯超声分散到10mLN-甲基吡咯烷酮溶剂中配制浓度为4mg/mL的氧化石墨烯分散液，高剪切混合使其分散均匀。2)将5mg富勒烯分散到5mL二乙胺中，超声处理2h。3)将氧化石墨烯分散液与富勒烯分散液混合均匀，磁力搅拌1h。4)将混合液装入聚四氟乙烯反应釜中，再将反应釜放入电热鼓风干燥箱中进行高温，温度设置为180℃，时间为9h，反应结束后冷却至室温。5)最后将步骤4)中所得到的产物进行去离子水洗涤3次，冷冻干燥48h，即可得到石墨烯/富勒烯杂化材料。将石墨烯/富勒烯杂化材料切片后用压片机以5～20MPa压力进行压片，进行电化学测试，电化学测试中所用到的电解液为硫酸、氢氧化钾、氢氧化钠、硫酸钠中的任意一种，浓度为1～6mol/L。通过测试可知，由此方法所制备的石墨烯/富勒烯杂化材料其比电容为340F/g，并且强度高，弹性好。实施例21)将40mg冷冻干燥的氧化石墨烯超声分散到10mL乙二醇溶剂中配制浓度为4mg/mL的氧化石墨烯分散液，磁力搅拌使其分散均匀。2)将8mg富勒烯分散到5mL乙腈中，高剪切混合处理2h。3)将氧化石墨烯分散液与富勒烯分散液混合均匀，磁力搅拌1.5h。4)将混合液装入聚四氟乙烯反应釜中，再将反应釜放入电热鼓风干燥箱中进行高温反应，温度设置为200℃，时间为12h，反应结束后冷却至室温。5)最后将步骤4)中所得到的产物进行去离子水洗涤3次，冷冻干燥30h，即可得到石墨烯/富勒烯杂化材料。将石墨烯/富勒烯杂化材料切片后用压片机以5～20MPa压力进行压片，进行电化学测试，电化学测试中所用到的电解液为硫酸、氢氧化钾、氢氧化钠、硫酸钠中的任意一种，浓度为1～6mol/L。通过测试可知，由此方法所制备的石墨烯/富勒烯杂化材料其比电容为329F/g，并且强度高，弹性较好。实施例31)将80mg冷冻干燥的氧化石墨烯超声分散到10mL乙二醇与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）将氧化石墨烯冷冻干燥，然后分散在第一溶剂中，获得浓度为1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯分散液；2）将富勒烯分散于第二溶剂中，获得浓度为1mg/mL～3mg/mL的富勒烯分散液；3）将氧化石墨烯分散液与富勒烯分散液混合均匀，富勒烯与氧化石墨烯的质量比在1:1～1:15之间；磁力搅拌0.5～3h；4）将步骤3）的混合分散液装入聚四氟乙烯反应釜中进行高温反应，反应温度为100～220℃，时间为5～20h；5）将步骤4）所得到的产物进行洗涤，然后干燥，即可得到石墨烯/富勒烯杂化材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）将氧化石墨烯冷冻干燥，然后分散在第一溶剂中，获得浓度为1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯分散液；2）将富勒烯分散于第二溶剂中，获得浓度为1mg/mL～3mg/mL的富勒烯分散液；3）将氧化石墨烯分散液与富勒烯分散液混合均匀，富勒烯与氧化石墨烯的质量比在1:1～1:15之间；磁力搅拌0.5～3h；4）将步骤3）的混合分散液装入聚四氟乙烯反应釜中进行高温反应，反应温度为100～220℃，时间为5～20h；5）将步骤4）所得到的产物进行洗涤，然后干燥，即可得到石墨烯/富勒烯杂化材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/富勒烯杂化材料的制备方法，其特征在于：所述的分散为磁力搅拌、高剪切混合、超声分散方法中...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱汉迅，李幸娟，闫廷龙，李静，杨俊和，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31