本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其制備方法，屬于超級(jí)電容器電極材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：由于化石燃料資源短缺和廢氣污染等問題越來越嚴(yán)重，一些新的儲(chǔ)能裝置例如超級(jí)電容器備受關(guān)注，其具有功率密度高、循環(huán)壽命長（大于100000次）、可快速充電/放電等優(yōu)點(diǎn)。目前，可根據(jù)超級(jí)電容器的電容大小不同，將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車，無線電通訊技術(shù)，新能源等領(lǐng)域。然而，超級(jí)電容器的能量密度相對(duì)較低，需要在不犧牲功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性的前提下提高其能量密度。根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理，超級(jí)電容器可分為兩種基本類型：雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器。雙電層電容器通過離子的靜電吸附在電極材料的表面儲(chǔ)存能量，而法拉第準(zhǔn)電容器則通過快速和可逆的氧化還原反應(yīng)將電荷儲(chǔ)存在本體材料中。碳材料例如碳納米管，石墨烯，碳?xì)饽z等具有大的表比面積，已被廣泛的應(yīng)用于雙電層電容器中。目前，石墨烯作為一個(gè)熱點(diǎn)材料，研究者致力于將石墨烯制備成可用于超級(jí)電容器的電極材料。然而，二維的石墨烯片層之間因?yàn)榇嬖诜兜氯A力而趨向于堆疊，重新形成石墨。這極大地阻礙了石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用與發(fā)展。因此，構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的石墨烯無疑是一個(gè)新的研究方向。石墨烯水凝膠是一種基于三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，具有較高的比表面積和良好的導(dǎo)電性。石墨烯水凝膠不僅能夠有效的防止石墨烯片層的堆疊，也有利于電解質(zhì)離子的快速擴(kuò)散和傳輸，大大提高了石墨烯對(duì)于雙電層電容器的電容性能的貢獻(xiàn)。目前，制備石墨烯水凝膠的方法主要有一步水熱法和化學(xué)還原法等。但鑒于目前的合成條件過于復(fù)雜或嚴(yán)苛，因此需要尋找一種更高效、簡單的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種高導(dǎo)電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其制備方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種高導(dǎo)電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料及其制備方法，包括如下步驟：步驟（1），將氧化石墨烯分散液和葡萄糖混合后并超聲分散均勻，得到氧化石墨烯/葡萄糖分散液；步驟（2），將氧化石墨烯/葡萄糖分散液置于反應(yīng)釜中并在120±10℃下反應(yīng)11-13h，然后自然冷卻至室溫，即得到所述的三維純粹石墨烯水凝膠材料。本發(fā)明所述步驟中，氧化石墨烯分散液的濃度為2mg/mL。本發(fā)明所述步驟中，氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯與葡萄糖的質(zhì)量比為1:1。本發(fā)明所述步驟中，超聲分散時(shí)間為10min以上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明通過一步水熱法成功地合成了獨(dú)立的高導(dǎo)電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料。2、本發(fā)明對(duì)反應(yīng)的溫度和時(shí)間作了改善，葡萄糖既可以作為還原劑，也作為形貌導(dǎo)向劑。3、通過該發(fā)明制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料具有良好的電導(dǎo)率、較高的比電容值和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，其比電容值在三電極體系可達(dá)到384.6F/g。在三明治式二電極體系中，其比電容可達(dá)213.9F/g。相比于其他方法制備的純粹的石墨烯凝膠材料而言具有較高的比電容值。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的掃描電鏡圖（SEM）。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4、5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在三電極體系中的循環(huán)伏安圖（a）及不同反應(yīng)時(shí)間制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的恒電流充放電曲線（b）。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4、5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在三明治式二電極體系中的循環(huán)伏安圖（a）及恒電流充放電曲線圖（b）。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4、5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料流程及測(cè)試示意圖。具體實(shí)施方式氧化石墨烯由于其表面含有羥基、羧基等官能團(tuán)而具有較好的水溶性能，可借此性能在水相中進(jìn)行反應(yīng)。一定濃度的氧化石墨烯在合適的條件下會(huì)出現(xiàn)凝膠化現(xiàn)象，從而制得形態(tài)獨(dú)立的石墨烯水凝膠。一步水熱法簡單易操作，但相對(duì)而言需要高溫、高壓、長時(shí)間等條件，因此本發(fā)明方法中加入了葡萄糖，不僅可以還原氧化石墨烯，而且降低了反應(yīng)溫度，縮短了反應(yīng)時(shí)間。另外，通過簡單的切割、壓片可以制備工作電極，很好地解決了工作電極的制備問題。本發(fā)明所述的高導(dǎo)電率的三維純粹石墨烯水凝膠材料的制備方法，包括如下步驟：1）將石墨氧化物加入到水中，通過超聲分散2h配成濃度為2mg/mL的氧化石墨烯分散液；2）加入質(zhì)量比為1:1的葡萄糖，超聲10min以上，保證葡萄糖完全溶解并均勻分散在氧化石墨烯分散液中，得到氧化石墨烯/葡萄糖分散液；3）將步驟2）氧化石墨烯/葡萄糖分散液移至聚四氟乙烯內(nèi)膽中，置于反應(yīng)釜中并在120℃下反應(yīng)12h，然后自然冷卻至室溫，即得到所述的獨(dú)立的圓柱狀三維純粹石墨烯水凝膠；4）三電極電池組裝：將步驟3）制得的水凝膠用小刀切下一片，壓在清洗干凈的鎳泡沫電極上，與參比電極和對(duì)電極共同組成三電極體系，在電極間注入堿性電解質(zhì)；5）二電極電池組裝：將步驟3）制得的水凝膠用小刀切下兩片，分別附著在兩片Pt上，并用隔膜隔開，用玻璃片固定，組成三明治式二電極電池，在電極間注入堿性電解質(zhì)；6）電化學(xué)性能測(cè)試：將步驟4、5）組成的電池與CHI660電化學(xué)工作站連接，采用循環(huán)伏安(CV)，恒電流充放電(ConstantCurrentChargeorDischarge)，電化學(xué)阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）等技術(shù)測(cè)試其電化學(xué)性能。實(shí)施例：將石墨氧化物與水混合并超聲分散2h形成均勻的氧化石墨烯（GO）分散液，濃度為2mg/mL，將等質(zhì)量比例的葡萄糖（Glu）加入到上述氧化石墨烯分散液中，超聲10min以上得到均勻的氧化石墨烯/葡萄糖分散液（GO-Glu）；將GO-Glu移至聚四氟乙烯內(nèi)膽中，置于反應(yīng)釜中并在120℃下反應(yīng)6-15h，然后自然冷卻至室溫，即得到所述的獨(dú)立的三維純粹石墨烯水凝膠；將制得的水凝膠切割、壓片制成工作電極，與參比電極和對(duì)電極共同組成三電極電池，在電極間注入5mol/L的KOH溶液；將組成的電池與CHI660電化學(xué)工作站連接，如圖4所示。應(yīng)用循環(huán)伏安(CycleVoltammetry,CV)，恒電流充放電(ConstantCurrentChargeorDischarge,GCD)，電化學(xué)阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）等技術(shù)測(cè)試其電化學(xué)性能。工藝步驟如上述實(shí)施例，其它工藝參數(shù)優(yōu)選如下表所示：實(shí)例例序號(hào)12345反應(yīng)時(shí)間（h）68101215電導(dǎo)率（S/m）34.052.966.795.312.9圖1為本發(fā)明實(shí)施例5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的掃描電鏡圖（SEM）。從掃描電鏡圖我們可以清晰的看到柔韌的石墨烯片相互聯(lián)結(jié)構(gòu)架形成三維多孔狀結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4、5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在三電極體系中的循環(huán)伏安圖（a）及不同反應(yīng)時(shí)間制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料的恒電流充放電曲線（b）。從圖中我們可以看到反應(yīng)時(shí)間為12h制備的石墨烯水凝膠材料的性能最佳。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4、5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料在二電極體系中的循環(huán)伏安圖（a）及恒電流充放電曲線（b）。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3、4、5制備的三維純粹石墨烯水凝膠材料流程及測(cè)試的示意圖。當(dāng)前第1頁1 2 3