一種缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及石墨烯基電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是碳原子緊密堆積成的單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種新型碳材料，具有獨(dú)特的二維納米晶體結(jié)構(gòu)，使其具有電子傳輸速率高、導(dǎo)電性優(yōu)異、熱導(dǎo)率高、機(jī)械性能出色，有望在納米電子器件、透明導(dǎo)電薄膜、復(fù)合材料、催化材料、場(chǎng)發(fā)射材料、太陽(yáng)能電池電極、光電轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。石墨烯常被作為雙電層電容器電極材料進(jìn)行研究，三維混合結(jié)構(gòu)石墨烯電極材料可有效提高單位面積內(nèi)石墨烯片的密度，使電極表面可以形成更多的雙電層參與儲(chǔ)能行為。但石墨烯本身具有電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的六邊形結(jié)構(gòu)，表面能較低，其與非極性水分子間的引力小于水分子間的結(jié)合能，與水系電解液之間的界面能較高，因此具有較強(qiáng)的疏水性。這種疏水本質(zhì)使電解液無(wú)法浸入石墨烯片之間的溝道，因此在混合式三維結(jié)構(gòu)中密集的垂直生長(zhǎng)石墨烯片的側(cè)壁及根部不能被充分潤(rùn)濕，這極大地限制了溶劑離子與電極材料的實(shí)際接觸面積，使三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮。因此，改善石墨烯材料的潤(rùn)濕性，是進(jìn)一步提尚超級(jí)電容器性能的有效途徑。
[0003]目前已有許多中方法可以對(duì)垂直生長(zhǎng)石墨烯片潤(rùn)濕性進(jìn)行改善。如:利用多種合成方法制備具有不同微觀結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，或者利用化學(xué)修飾方法，在氧化石墨烯表面引入不同親水官能團(tuán)，從而增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕性。但是前一種涉及較多參數(shù)的調(diào)節(jié)，難以準(zhǔn)確把握改善的程度及表面改性的機(jī)理，而化學(xué)修飾的方法涉及化學(xué)藥品的選取，制備和化學(xué)反應(yīng)，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決現(xiàn)有對(duì)垂直生長(zhǎng)石墨烯片潤(rùn)濕性進(jìn)行改善，其中多種合成方法制備具有不同微觀結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，涉及較多參數(shù)的調(diào)節(jié)，難以準(zhǔn)確把握改善的程度及表面改性的機(jī)理，而化學(xué)修飾的方法涉及化學(xué)藥品的選取，制備和化學(xué)反應(yīng)，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，而提供一種缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法。
[0005]一種缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0006]—、將集電極材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，在溫度為300°C?800 °C、壓強(qiáng)為200Pa?900Pa、射頻功率為75W?225W、氬氣的氣體流量為40sccm?120sccm及014氣體的氣體流量為5sccm?50sccm的條件下，沉積時(shí)間為5min?60min，得到沉積石墨稀的集電極材料；
[0007]二、沉積結(jié)束后，關(guān)閉CH4氣體，調(diào)節(jié)溫度至刻蝕溫度為400°C?800°C，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為5sccm?lOOsccm，調(diào)節(jié)刻蝕壓強(qiáng)為50Pa?300Pa，開啟等離子體電源后，調(diào)節(jié)射頻功率為10W?200W，同時(shí)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使得沉積石墨烯的集電極材料與水平方向保持0°?45°的角度，然后在刻蝕溫度為400°C?800°C、氬氣的氣體流量為5SCCm?lOOsccm、刻蝕壓強(qiáng)為50Pa?300Pa及射頻功率為10W?200W的條件下，一次刻蝕Is?100s，再旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使得沉積石墨烯的集電極材料與水平方向保持-45°?0°的角度，然后在刻蝕溫度為400°C?800°C、氬氣的氣體流量為5sccm?lOOsccm、刻蝕壓強(qiáng)為50Pa?300Pa及射頻功率為10W?200W的條件下，二次刻蝕Is?100s，得到表面刻蝕處理后的石墨稀；
[0008]三、刻蝕結(jié)束后，關(guān)閉射頻電源和加熱電源，以氬氣為保護(hù)氣體，冷卻到室溫，即完成缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]1、本發(fā)明在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，利用高動(dòng)能氬活性離子轟擊石墨烯片，進(jìn)行表面處理。同時(shí)本發(fā)明同制備石墨烯片的過(guò)程相結(jié)合，理論上無(wú)需進(jìn)行沉積后冷卻降溫、腔體打開取出樣品等過(guò)程，可做到沉積和表面處理一步操作，節(jié)約生產(chǎn)周期，降低能耗。
[0011]2、本發(fā)明的氬等離子體的改性作用，不與石墨烯直接反應(yīng)，是通過(guò)刻蝕花瓣?duì)钍┢吘壍鸟薨櫤褪┳钔饷嫫瑢拥慕Y(jié)構(gòu)，引入缺陷，提高其潤(rùn)濕性。不改變石墨烯的整體形貌，其優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能得以保留。
[0012]3、本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，高效，低成本，便于工業(yè)化生產(chǎn)，氬等離子體刻蝕后的石墨烯電極材料比電容大幅度提高，且仍具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種極具潛力的超級(jí)電容器電極材料的改性方法。
[0013]本發(fā)明用于一種缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為未經(jīng)過(guò)氬等離子體刻蝕石墨烯的掃描電鏡圖片；
[0015]圖2為實(shí)施例經(jīng)過(guò)氬等離子體雙面旋轉(zhuǎn)刻蝕Imin后的石墨烯的掃描電鏡圖片；
[0016]圖3為不同掃速條件下的比電容值，I為未經(jīng)過(guò)氬等離子體刻蝕的石墨烯，2為經(jīng)過(guò)氬等離子體雙面旋轉(zhuǎn)刻蝕Imin后的石墨稀。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式所述的一種缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0019]—、將集電極材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，在溫度為300°C?800 °C、壓強(qiáng)為200Pa?900Pa、射頻功率為75W?225W、氬氣的氣體流量為40sccm?120sccm及014氣體的氣體流量為5sccm?50sccm的條件下，沉積時(shí)間為5min?60min，得到沉積石墨稀的集電極材料；
[0020]二、沉積結(jié)束后，關(guān)閉CH4氣體，調(diào)節(jié)溫度至刻蝕溫度為400°C?800°C，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為5sccm?lOOsccm，調(diào)節(jié)刻蝕壓強(qiáng)為50Pa?300Pa，開啟等離子體電源后，調(diào)節(jié)射頻功率為100W?200W，同時(shí)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使得沉積石墨烯的集電極材料與水平方向保持0°?45°的角度，然后在刻蝕溫度為400°C?800°C、氬氣的氣體流量為5SCCm?lOOsccm、刻蝕壓強(qiáng)為50Pa?300Pa及射頻功率為100W?200W的條件下，一次刻蝕Is?100s，再旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使得沉積石墨烯的集電極材料與水平方向保持-45°?0°的角度，然后在刻蝕溫度為400°C?800°C、氬氣的氣體流量為5sccm?lOOsccm、刻蝕壓強(qiáng)為50Pa?300Pa及射頻功率為10W?200W的條件下，二次刻蝕Is?100s，得到表面刻蝕處理后的石墨??；
[0021]三、刻蝕結(jié)束后，關(guān)閉射頻電源和加熱電源，以氬氣為保護(hù)氣體，冷卻到室溫，即完成缺陷誘導(dǎo)石墨烯基電極材料的制備方法。
[0022]本實(shí)施方式的有益效果是:
[0023]1、本實(shí)施方式在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，利用高動(dòng)能氬活性離子轟擊石墨烯片，進(jìn)行表面處理。同時(shí)本發(fā)明同制備石墨烯片的過(guò)程相結(jié)合，理論上無(wú)需進(jìn)行沉積后冷卻降溫、腔體打開取出樣品等過(guò)程，可做到沉積和表面處理一步操作，節(jié)約生產(chǎn)周期，降低能耗。
[0024]2、本實(shí)施方式的氬等離子體的改性作用，不與石墨烯直接反應(yīng)，是通過(guò)刻蝕花瓣?duì)钍┢吘壍鸟薨櫤褪┳钔饷嫫瑢拥慕Y(jié)構(gòu)，引入缺陷，提高其潤(rùn)濕性。不改變石墨烯的整體形貌，其優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能得以保留。
[0025]3、本實(shí)施方式的方法簡(jiǎn)單，高效，低成本，便于工業(yè)化生產(chǎn)，氬等離子體刻蝕后的石墨稀電極材料比電容大幅度提尚，且仍具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種極具潛力的超級(jí)電容器電極材料的改性方法。
[0026]本【具體實(shí)施方式】通過(guò)對(duì)垂直生長(zhǎng)石墨烯片進(jìn)行氬等離子體表面刻蝕，引入缺陷來(lái)改善石墨烯的表面潤(rùn)濕性，提高石墨烯基超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備垂直生長(zhǎng)石墨烯后，通入一定的氬氣，在一定射頻功率下將氬氣離化成等離子體，利用高動(dòng)能氬活性離子轟擊石墨烯片，進(jìn)行表面處理。
[0027]原理:在等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，等離子體將一定的氬氣離化成等離子體，利用高動(dòng)能的氬活性離子轟擊石墨烯片表面?；ò?duì)钍┢吘壍鸟薨櫩梢员豢涛g掉，且可以破壞最外層結(jié)構(gòu)，引入缺陷。高缺陷石墨烯材料的表面能高，而與水溶電解液之間的界面能較低，因此可以通過(guò)誘導(dǎo)缺陷來(lái)提高潤(rùn)濕性，即使是三維的情況下，高缺陷石墨烯與水溶液也可以保持較好的潤(rùn)濕。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、有效，可以通過(guò)沉積加改性一步完成，且石墨烯形貌并不會(huì)有所改變，其優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能得以保留，是一種極具潛力的超級(jí)電容器電極材料的改性方法。
[0028]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中所述的集電極材料為金屬鎳、銅、鋁、鐵、金、鉑、泡沫鎳、碳纖維布或石墨紙。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同的是:步驟二中調(diào)節(jié)溫度至刻蝕溫度為400°C?700°C。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟二中調(diào)節(jié)溫度至刻蝕溫度為500°C。其它與【具體實(shí)施方式】一至三相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟二中調(diào)節(jié)溫度至刻蝕溫度為700°C。其它與【具體實(shí)施方式】一至四相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:步驟二中調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為40sccm。其它與【具體實(shí)施方式】一至五相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:步驟二中調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為70sccm。其它與【具體實(shí)施方式】一至六相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟二中調(diào)節(jié)刻蝕壓強(qiáng)為250Pa。其它與【具體實(shí)施方