氟化石墨烯水凝膠材料及其電極制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氟化石墨烯水凝膠材料及其電極制備方法，具體地說是一種具有水凝膠結(jié)構(gòu)的氟化石墨烯的制備方法及其在超級電容器上的應(yīng)用，屬于儲能材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化石墨烯是石墨烯的新型衍生物，是一種二維材料。由于具有耐高溫、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及獨特的力、熱、聲、光、電特性，在能源領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，例如作為高能量密度鋰一次電池正極材料，鋰離子電池負(fù)極材料，染料敏化太陽能電池對電極，儲氫催化劑以及燃料電池氧化還原反應(yīng)催化劑等。
[0003]超級電容器作為一種能源儲存裝置，由于具有高功率密度和良好地循環(huán)穩(wěn)定性，被廣泛的應(yīng)用在電動汽車，電氣設(shè)備以及后備電源等領(lǐng)域。石墨烯及其衍生物由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性，較大的比表面積和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性被認(rèn)為是超級電容器理想的電極材料。石墨烯基材料的儲能性能可以通過阻礙石墨烯納米片的自組裝，構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)例如水凝膠的方式獲得提高。水凝膠結(jié)構(gòu)不僅可以去除制備過程中的后續(xù)提取步驟而且其特有的多孔結(jié)構(gòu)使得其可以與多種材料復(fù)合。
[0004]氟化石墨烯可以由石墨烯和高活性的含氟氣體反應(yīng)制的，然而此方法需要復(fù)雜設(shè)備處理劇毒和高腐蝕性的氣體氟源，限制其廣泛應(yīng)用。而通過剝離氟化石墨方法制的的氟化石墨烯產(chǎn)量小，并且氟化度由選定的氟化石墨決定，不能輕易調(diào)控。在以前的工作中，氟化石墨烯作為超級電容器電極材料并未表現(xiàn)出令人滿意的性能，而且制備的電極材料多是粉末形式存在，在制備電極過程中需要加入粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等降低電化學(xué)性能的填料。而水凝膠結(jié)構(gòu)的電極材料無需使用粘結(jié)劑等填料。目前水凝膠結(jié)構(gòu)的氟化石墨烯電極材料并沒有報道過。因此開發(fā)一種具有水凝膠結(jié)構(gòu)的氟化石墨烯電極材料的制備方法顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供制備具有水凝膠結(jié)構(gòu)的氟化石墨烯材料及其電極制備方法，該方法操作簡單，快速環(huán)保。制備的氟化石墨烯材料具有三維水凝膠結(jié)構(gòu)，用其制備的電極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，良好的循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)點，適用于作為超級電容器電極材料。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種氟化石墨烯水凝膠材料的制備方法，通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007](1)在聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中加入(λ 5-2.0mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后加入氫氟酸溶液，氧化石墨稀水溶液與氫氟酸溶液體積比50?12.5:1，混合均勻，蓋好密封；
[0008](2)將(1)中的反應(yīng)釜放入馬弗爐中，120-180°C中反應(yīng)6_24h ；
[0009](3)將(2)中得到的產(chǎn)物取出并浸入去離子水中，定時換去離子水，直至去離子水至中性，得到氟化石墨烯水凝膠。
[0010]所述步驟(1)中氫氟酸是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的HF水溶液；
[0011]所述定時換去離子水，可以過夜或每隔24小時換一次去離子水。
[0012]用氟化石墨烯水凝膠材料制備電極的方法:
[0013](1)將氟化石墨烯水凝膠切成厚度為l_5mm的片狀，用濾紙包裹去除多余水分得到氟化石墨烯水凝膠電極材料。
[0014](2)將(1)中得到的氟化石墨烯水凝膠電極材料浸潤在電解液體系中5h，充分浸潤后在三電極和雙電極體系下中測試性能，電解液為6mol L 'KOH溶液。
[0015]本發(fā)明操作簡單，成本低，產(chǎn)量高，而且后處理簡單，不需要特殊的反應(yīng)儀器，制備成本低廉?？梢酝ㄟ^簡單的調(diào)控反應(yīng)液濃度、反應(yīng)溫度時間等方便地控制氟化石墨烯水凝膠的氟化度；另外，所得到的氟化石墨烯水凝膠可直接切片制備成電極，與其他粉末材料相比，不需要使用粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，并且制得的電極材料具有較高的電容性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在三電極體系下1A g1電流密度下質(zhì)量比電容為220F g \在100A g1的高電流密度下容量仍高達(dá)120F 81，在2六g1電流密度下循環(huán)2000圈容量保持率為95.1%，在雙電極體系中其能量密度可達(dá)5.0Wh kg1以上，功率密度可達(dá)50kW kg 1以上。
【附圖說明】
[0016]圖1為實例1制備得到的氟化石墨烯水凝膠的光學(xué)照片；
[0017]圖2為實例1制備得到的氟化石墨烯水凝膠材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0018]圖3為實例1制備得到的氟化石墨烯水凝膠材料的X射線光電子能譜圖；
[0019]圖4為制備得到的氟化石墨烯水凝膠電極的循環(huán)伏安曲線圖；
[0020]圖5為制備得到的氟化石墨烯水凝膠電極的充放電曲線。
具體實施方案
[0021]以下通過具體的實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行說明。
[0022]在實施例中使用的氧化石墨烯如下進(jìn)行制備:將天然鱗片石墨2g、NaN032g、濃H2S0496mL放入圓底燒瓶中，在0°C下攪拌混合，之后向混合物中加入12g KMn04，0°C攪拌90min，升至35°C下反應(yīng)2h，然后向混合物中滴加80mL去離子水。滴加完畢后，再向混合物中依次加入200mL去離子水及10mL H202 (30% ),攪拌lOmin，通過水洗去掉酸和水溶性的離子，水洗至中性得到氧化石墨漿料。將氧化石墨漿料稀釋后分散在水中。將分散液離心將沉淀分散在水中得到氧化石墨烯溶液。
[0023]在實施例中使用的氧化石墨烯也可使用市售產(chǎn)品。
[0024]—、氟化石墨烯水凝膠材料的制備:
[0025]實例1
[0026](1)在聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中加入0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液，然后加入氫氟酸溶液，氧化石墨烯水溶液與氫氟酸溶液體積比為50:1:，混合均勻，蓋好密封。
[0027](2)將⑴中的反應(yīng)釜放入馬弗爐中，120°C中反應(yīng)24h。
[0028](3)將⑵中得到的產(chǎn)物取出并浸入去離子水中，每隔24小時換一次去離子水，直至去離子水至中性，得到氟化石墨烯水凝膠。
[0029]所述步驟⑴中氫氟酸是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的HF水溶液；
[0030]實例1制備的氟化石墨烯水凝膠尺寸約為高2cm直徑1.5cm的圓柱體(如圖1所示)Ο
[0031]實例1制備的氟化石墨烯水凝膠的掃描電子顯微鏡顯示出材料由大量納米片堆疊交聯(lián)組成，形多孔多褶皺的形貌(如圖2所示)。