一种石墨烯纸及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开石墨烯纸及其制备方法和应用。本发明专利技术制备方法采用常规石墨纸作为基体进行石墨烯纸的制备，具体是第一步使用强氧化性的混合氧化剂对石墨纸进行氧化剥离，然后清洗干燥；第二步在惰性气体气氛下高温煅烧还原氧化石墨烯纸得到石墨烯纸。制备方法工艺简单，成本低廉，适合大规模批量工业化生产。制备得到的石墨烯纸保留有纸状的形态，有着很高的剥离程度，展现出优异的导电性和超高的比表面积，展现出非常好的超电容性能，相对于传统的粉末操作更加方便，产品可以直接作为超级电容器的电极材料，在储能方面具有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开石墨烯纸及其制备方法和应用。本专利技术制备方法采用常规石墨纸作为基体进行石墨烯纸的制备，具体是第一步使用强氧化性的混合氧化剂对石墨纸进行氧化剥离，然后清洗干燥；第二步在惰性气体气氛下高温煅烧还原氧化石墨烯纸得到石墨烯纸。制备方法工艺简单，成本低廉，适合大规模批量工业化生产。制备得到的石墨烯纸保留有纸状的形态，有着很高的剥离程度，展现出优异的导电性和超高的比表面积，展现出非常好的超电容性能，相对于传统的粉末操作更加方便，产品可以直接作为超级电容器的电极材料，在储能方面具有很大的应用前景。【专利说明】一种石墨烯纸及其制备方法和应用
本专利技术属于电容器材料领域，具体涉及一种石墨烯纸及其制备方法和应用。
技术介绍
随着社会的发展和科技的发展，各种新型能源的不断开发和利用要求研发出不同种类的能量储存装置来实现新能源的高效转化及利用。超级电容器(supercapacitors)作为一种介于电池与传统电容器之间的新型、高效、实用的能量存储装置，具有众多优点，如功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、环境友好、使用温度窗口宽等。目前超级电容器已广泛应用于电子设备备用电源、信号灯电源以为与燃料电池、锂电池等动力电池复合作为电动汽车的动力电源等，有着非常广阔的应用前景。超级电容器现已被列入《国家中长期科学和技术发展纲要》(2005 — 2020年)中。随着对超级电容器研究的深入，研究者们已深刻认识到要提高超级电容器的性能，关键在于寻找高性能的储能电极材料。目前常用的电极材料有以活性炭为主的多孔碳材料、过渡金属以及导电聚合物等。在各种电极材料中，碳材料因资源丰富，价格便宜，稳定性好等优点被公认为是理想的超电容材料并被大量商业化生产，但是由于其理论电容值低等问题极大地限制了它的应用。因此设计比表面积大，多孔三维结构的碳材料成为目前的研究重点。石墨烯(Graphene)是一种单原子石墨材料,其晶格是碳原子构成的二维蜂巢结构。2004年首次通过机械剥离的方法获得比较少层的石墨烯片层，并发现其在外界环境中能够稳定存在。石墨烯独特的化学结构使其展现出非常优异的性能，例如其比表面积高达2630 m2 g—1，体征迁移率高达200000 cm'v^1 s—1，杨氏模量多大1.0 TPa，热传导常数为5000WnT1 -1，光学透射比高达97.7%，并且其导电性也十分优异，几乎达到了金属单质的导电性能。石墨烯展现出来的这些特性使其在电子、光学、感应等众多领域展现出非常好的应用前景。其中由于石墨烯有着超高比表面积和优异的导电性能，非常适合设计用于超级电容器的三维多孔碳电极。目前用于生产石墨烯的方法主要通过硫酸、硝酸、高锰酸钾等强氧化剂对石墨粉进行氧化，从而使石墨片层之间被含氧官能团撑开达到片层分离的目的，紧接着通过化学还原的方法得到石墨烯。然而目前的这种方法通常发生在水溶液中，在将石墨烯分离的过程中往往会由于石墨烯片层之间强的范德华作用力而发生石墨烯片层的重聚，从而大大降低了其比表面积及其电容性能。此外这种方法很难规模化制备出大的石墨烯电极。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种石墨烯纸的制备方法，特别适合于大规模批量工业生产。本专利技术的另一个目的是提供由本专利技术制备方法制得的石墨烯纸产品，该产品保留有纸状的形态，可以直接作为超电容材料并有优异的电容性能。本专利技术还有一个目的在于提供本专利技术石墨烯纸产品在制备电容材料中的应用。本专利技术制备方法采用常规石墨纸作为基体进行石墨烯纸的制备，该常规石墨纸为目前广泛商业化的石墨纸，造价低廉，成本便宜。通过设计的化学氧化法对石墨纸进行处理，最后得到完整的石墨烯纸，这种石墨烯纸展现出非常好的超电容性能。此外，这种方法操作简单，易规模化，为日后工业化生产打下了坚实的理论和实践基础。本专利技术的上述目的通过如下技术方案予以实现: 一种石墨烯纸的制备方法，包括如下步骤: 51.配制浓硫酸、浓硝酸和高锰酸钾的混合氧化剂，所述混合氧化剂中浓硫酸、硝酸和高锰酸钾的用量比为35~45mL:l(Tl5mL:5~7g ； 52.将石墨纸加入步骤SI配制的混合氧化剂中进行化学氧化剥离2~3h，清洗、干燥得到氧化石墨烯纸，所述石墨纸与混合氧化剂的用量比为1.5^2.5g:45飞OmL ； 53.将氧化石墨烯纸置入惰性气体气氛，80(n00(TC下进行高温煅烧还原制得石墨烯纸产品。作为一种最优选方案，所述混合氧化剂中浓硫酸、硝酸和高锰酸钾的用量比为40mL:10mL:6g,所述石墨纸与混合氧化剂的用量比为2g:50mL,所述化学氧化剥离的时间为2h。本专利技术采用浓硫酸(18.4 mol/L)、浓硝酸(14.5 mol/L)和高锰酸钾复配制得混合氧化剂，其对石墨纸具有特定的氧化性能，氧化时可以在石墨片层之间形成含氧官能团，从而达到剥离石墨片的效 果，同时保证氧化性不会过强而破坏石墨纸，如石墨烯纸破裂。所述浓硫酸、浓硝酸和高锰酸钾均为本领域直接商业购买的分析纯试剂。步骤S2中所述清洗为依次使用双氧水、盐酸(3 mol/L)、蒸馏水清洗，先采用双氧水和盐酸可以有效除去石墨纸表面残留的多余氧化剂及杂离子，最后采用蒸馏水洗至中性。步骤S2所述干燥的目的在于出去石墨烯纸表面的水分，利于后续煅烧还原处理，为了干燥过程中不破坏石墨烯纸的结构和形貌，作为一种优选方案，所述干燥为冷冻干燥。本专利技术在惰性气体气氛下煅烧的作用是通过高温的方法对氧化石墨烯进行还原，从而制备出高导电性的石墨烯纸，因此步骤S3中，煅烧的时间为使氧化石墨烯纸充分还原即可。为了控制能耗，作为一种优选方案，所述煅烧的温度优选为80(T90(TC，煅烧时间优选为2~3 h。所述惰性气体可选用氮气、氦气、氩气等常用惰性气体，作为一种优选方案，所述惰性选用氮气，降低制备成本。本专利技术所采用的碳前躯体为商业化的石墨纸，厚度为1mm，其已经被大规模商业化生产，造价低廉。根据本专利技术所制备方法制得的石墨烯纸可用作电容材料，其解决了常规方法中石墨烯制备过程中易重聚的问题，从而有效提高了石墨烯的比表面积，并且本专利技术的制备方法适合大规模批量工业生产。根据本专利技术所制备方法制得的石墨烯纸具有优异电容性能，其形貌为单层或少层石墨片组成的三维多孔结构，该材料有比表面积高，导电性能优异等优点，也因为这些优点，这种石墨烯纸在超电容方面展现出非常好的电容性能。本专利技术的技术方案中，通过设定合适的混合氧化剂以及氧化时间，对石墨纸进行氧化剥离，从而得到单层或者少层的氧化石墨烯；通过设定合适的煅烧温度和煅烧时间来达到还原氧化石墨烯的目的。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果: (I)本专利技术制备方法中，石墨片层的剥离发生在石墨纸的表面，剥离后的石墨烯仍然附在石墨纸的周围，所以容易脱离水相，克服了现有制备石墨烯过程中将石墨烯从溶液相转移出的时候，由于石墨烯分子层之间的强范德华作用力而会发生重聚的现象，致使原来已经剥离开的石墨烯重新发生聚合，比表面积大大下降，石墨烯的特性也受到一定损坏的缺点。 ( 2 )本专利技术的制备方法工艺简单，成本低廉，适合大规模批量工业化生产。(3)本专利技术制备得到的产品是石墨烯纸保留有纸状的形态，相对于传统的粉末操作更加方便，产品可以直接作为超级电容器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1. 配制浓硫酸、浓硝酸和高锰酸钾的混合氧化剂，所述混合氧化剂中浓硫酸、硝酸和高锰酸钾的用量比为35~45mL：10~15mL：5~7g；S2. 将石墨纸加入步骤S1配制的混合氧化剂中进行化学氧化剥离2~3h，清洗、干燥得到氧化石墨烯纸，所述石墨纸与混合氧化剂的用量比为1.5~2.5g：45~60mL； S3. 将氧化石墨烯纸置入惰性气体气氛，800~1000℃下进行高温煅烧还原制得石墨烯纸产品。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢锡洪，于明浩，童叶翔，方萍萍，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44