一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有较高电荷储存能力的含基底的石墨烯基电极纤维及其制备方法。本发明专利技术采用低价、无毒的氧化石墨烯水溶液为主要原料，通过简单地交替浸蘸的方式将氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物包覆到纤维基底上，随后通过化学还原法或热还原法将氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯，制备出兼具优良机械性能和储电性能的含基底的石墨烯基电极纤维。用这种含基底的石墨烯基电极纤维做电极的线型超级电容器具有非常大的面积比电容和非常高的能量密度。本发明专利技术与现有技术相比，具有原料丰富廉价、无须特殊设备、方法简单高效、绿色安全环保、可拓展和可放大生产的优点。所制备的含基底的石墨烯基电极纤维兼具优良的导电性、柔韧性以及抗拉强度和电荷存储能力。这种含基底的石墨烯基电极纤维在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。

Preparation of graphene based electrode fiber with substrate

【技术实现步骤摘要】
一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法
本专利技术属于材料领域和电化学领域，具体涉及含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法及其电化学领域的应用。
技术介绍
可穿戴电子逐渐兴起并迅速发展，如智能手环、手表、智能戒指等。传统电池和电容器由于体积大，质量重，使用对人体有害的有机电解液，且没有柔韧性已经不能满足穿戴电子设备。作为可穿戴电子设备的电源，必须具有体积小、质量轻、柔韧、有较高能量密等特点。新型超级电容器，特别是一维线型超级电容器，一般都具有体积小质量轻，可弯曲，可编织等优点，引起了科研工作者们的极大兴趣。这种一维线型超级电容器具有巨大市场应用前景，可进一步改进现有可穿戴设备的性能。例如，目前的智能手环或手表由于采用的是硬性的锂离子电池，无法将电源部分植入可弯曲的表带部位，且有限的表盘空间也限制电源的体积进而限制了电源的容量。如果采用柔性的电源并将其植入具有较大闲置空间的表带部位，不仅可以进一步降低手环或手表的表盘的厚度，使之更为美观，还可以大大提高提升手环或手表的续航能力，结合柔性电路和柔性屏，甚至还可以实现全柔性手环或手表，大大提高穿戴舒适度。然而与传统电容器和电池相比，这种线型超级电容器的能量密度明显偏低，尚不能完全替代传统锂离子电池。将石墨烯或石墨烯复合物包覆于纤维基底上，现有的方法包括电沉积、蒸发沉积和维度限制沉积，但是用这些方法制备的电极纤维组装的线型超级电容器的能量密度都较低，无法满足高能量密度的需求。且这些方法的工艺复杂、成本高，商业应用前景有限，实用价值小。
技术实现思路
[要解决的技术问题]本专利技术的目的是解决上述技术问题，提供一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法。本专利技术的制备方法无需特殊设备，容易实现规模化生产；并且制备得的含基底的石墨烯基电极纤维应用于线型超级电容器的电极时，得到超高能量密度的超级电容器。[技术方案]为了达到上述的技术效果，本专利技术采取以下技术方案：本专利技术利用交替浸蘸的方式，将一根基底纤维交替浸蘸在氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液和凝固液中，来回交替浸蘸后可将氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物包覆于基底上形成一根具有核壳结构的纤维，再将纤维置于还原液或直接置于烘箱中还原，使纤维上的氧化石墨烯(GO)还原为还原氧化石墨烯(RGO)。将该方法制备的含基底的石墨烯基电极纤维用作线型超级电容器电极时，电容显著提高，所得面积比电容为目前线型超级电容器领域中最高值。本专利技术不仅提供一种制备含基底的石墨烯基电极纤维的方法，还实现了含基底的石墨烯基电极纤维在高能量密度线型超级电容器领域中的应用。一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法，它包括以下步骤：A，氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液的制备将氧化石墨烯超声分散在去离子水中制备成浓度为2～20mg/mL的石墨烯水溶液，然后可以选择加入或不加入其它添加物，混合均匀后得到所述氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液；B，凝固液的制备将无机或有机强碱，或无机盐溶于去离子水或去离子水与乙醇的混合液中制备成浓度为0.1～3mol/mL的溶液，乙醇与去离子水的体积比为0～10，混合均匀后得到所述凝固液；C，还原液的制备取步骤B得到的凝固液，加入去离子水稀释0-10倍，再向其中加入还原剂，使还原剂浓度为0-1mol/mL，混合均匀后得到所述还原液；D，交替浸蘸沉积氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物将一根纤维状基底交替在步骤A得到的氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液和在步骤B得到的凝固液中浸蘸，来回交替浸蘸后可将氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物包覆于基底上形成一根具有核壳结构的纤维；E，还原反应接着将在步骤D得到的纤维放入盛有在步骤C得到的还原液的容器中、并盖上容器盖子，在70-95℃下还原1-8小时。也可将其直接置于120-200℃的烘箱中还原1-8小时，还原反应结束后，用去离子水反复洗涤纤维10次以上，然后取出晾干。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤A中，所述其它添加物选自导电聚合物和/或有赝电容的无机物。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤A中，所述导电聚合物与氧化石墨烯的质量比为0～10；所述导电聚合物选自聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚苯胺、聚对苯、聚吡咯、聚噻吩或聚苯基乙炔。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤A中，所述有赝电容的无机物与氧化石墨烯的质量比为0～10；有赝电容的无机物选自MXenes、四氧化三钴、二氧化锰、氧化钌或氧化镍。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤B中，所述无机或有机强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、乙二胺、三乙胺。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤B中，所述无机盐选自氯化钙、氯化钾、硫酸钠、氯化钠、硫代硫酸钠。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤C中，所述还原剂选自维生素C、次磷酸、水合肼或氢碘酸。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤D中，所述一根纤维状基底选自直径为0.05～0.5mm的钛丝、金丝、铜丝、碳纤维、聚四氟乙烯纤维。本专利技术更进一步的技术方案，在步骤E中，盛装还原液的容器可以是玻璃容器也可以是耐高温的塑料容器，使用还原液还原时必须盖起容器盖子防止还原液蒸发。根据本专利技术的另一个优选实施方案，在步骤E中，所述还原反应结束，洗涤完后，取出纤维，使纤维再次浸蘸在含有其它有赝电容的物质的分散液中，接着干燥，得到表面有赝电容的物质沉积的含基底的石墨烯基电极纤维。一种如上述所述的制备方法制备得到的含基底的石墨烯基电极纤维，所述含基底的石墨烯基电极纤维制备得到的线型电容器的单电极比电容为379.4～1722.1mFcm-2。下面将详细地说明本专利技术。一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法，它包括以下步骤：A，氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液的制备将氧化石墨烯超声分散在去离子水中制备成浓度为2～20mg/mL的石墨烯水溶液，然后可以选择加入或不加入其它添加物，混合均匀后得到所述氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液；本专利技术中，石墨烯水溶液浓度过低，每次浸蘸负载的氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物的量很少，需要来回浸蘸很多次，增加工作量；而浓度过高时，每次负载量太多，也不利于形成直径均一的纤维。B，凝固液的制备将无机或有机强碱，或无机盐溶于去离子水中制备成浓度为0.05～3mol/mL的溶液，然后向其中加入无水乙醇，乙醇与之前水的体积比为0～10，混合均匀后得到所述凝固液；无机或有机强碱，或无机盐的浓度过低不利于氧化石墨烯析出沉积在基底上，过高不利于后续除去，影响性能。加入乙醇是为了降低凝固液的表面张力，使之容易均匀吸附在基底纤维上。但是乙醇加入过多会影响无机或有机强碱，或无机盐的溶解性，也增加了没必要的成本。C，还原液的制备取步骤B得到的凝固液，加入去离子水稀释0-10倍，再向其中加入还原剂，使还原剂浓度为0-0.5mol/mL，混合均匀后得到所述还原液；还原液还原可以在较低的温度下进行，一些添加物如MXenes在空气中直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：/nA，氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液的制备/n将氧化石墨烯超声分散在去离子水中制备成浓度为2～20mg/mL的石墨烯水溶液，然后可以选择加入或不加入其它添加物，混合均匀后得到所述氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液；/nB，凝固液的制备/n将无机或有机强碱，或无机盐溶于去离子水或去离子水与乙醇的混合液中制备成浓度为0.1～3mol/mL的溶液，乙醇与去离子水的体积比为0～10，混合均匀后得到所述凝固液；/nC，还原液的制备/n取步骤B得到的凝固液，加入去离子水稀释0-10倍，再向其中加入还原剂，使还原剂浓度为0～1mol/mL，混合均匀后得到所述还原液；/nD，交替浸蘸沉积氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物/n将一根纤维状基底交替在步骤A得到的氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液和在步骤B得到的凝固液中浸蘸，来回交替浸蘸后可将氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物包覆于基底上形成一根具有核壳结构的纤维；/nE，还原反应/n接着将在步骤D得到的纤维放入盛有在步骤C得到的还原液的容器中、并盖上容器盖子，在70～95℃下还原1～8小时。也可将其直接置于120～200℃的烘箱中还原1～8小时，还原反应结束后，用去离子水反复洗涤纤维10次以上，然后取出晾干。/n...

【技术特征摘要】
1.一种含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
A，氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液的制备
将氧化石墨烯超声分散在去离子水中制备成浓度为2～20mg/mL的石墨烯水溶液，然后可以选择加入或不加入其它添加物，混合均匀后得到所述氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液；
B，凝固液的制备
将无机或有机强碱，或无机盐溶于去离子水或去离子水与乙醇的混合液中制备成浓度为0.1～3mol/mL的溶液，乙醇与去离子水的体积比为0～10，混合均匀后得到所述凝固液；
C，还原液的制备
取步骤B得到的凝固液，加入去离子水稀释0-10倍，再向其中加入还原剂，使还原剂浓度为0～1mol/mL，混合均匀后得到所述还原液；
D，交替浸蘸沉积氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物
将一根纤维状基底交替在步骤A得到的氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物溶液和在步骤B得到的凝固液中浸蘸，来回交替浸蘸后可将氧化石墨烯或氧化石墨烯复合物包覆于基底上形成一根具有核壳结构的纤维；
E，还原反应
接着将在步骤D得到的纤维放入盛有在步骤C得到的还原液的容器中、并盖上容器盖子，在70～95℃下还原1～8小时。也可将其直接置于120～200℃的烘箱中还原1～8小时，还原反应结束后，用去离子水反复洗涤纤维10次以上，然后取出晾干。


2.根据权利要求1所述的含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法，其特征在于在步骤A中，所述其它添加物选自导电聚合物和/或有赝电容的无机物。


3.根据权利要求2所述的含基底的石墨烯基电极纤维的制备方法，其特征在于在步骤A中，所述导电聚合物与氧化石墨烯的质量比为0～...

【专利技术属性】
技术研发人员：康毅进，瞿国兴，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51