一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法，采用化学气相沉积法在泡沫金属衬底上生长海绵状石墨烯；然后将制备的石墨烯/泡沫金属浸泡在刻蚀溶液中，通过控制刻蚀溶液的浓度和温度以获得石墨烯/金属颗粒混合结构，将其从刻蚀溶液中捞出，清洗，用预拉伸的3M可拉伸胶带覆盖在石墨烯表面将其捞出并自然晾干，然后让覆盖柔性石墨烯/金属颗粒混合结构的预拉伸弹性衬底慢慢恢复到原来的长度或面积，依此来制备一种自组装皱褶的可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构电极材料。本发电极材料可拉伸性能优异，稳定性好，电导率高，成本低且可控，可实现大规模生产，有极大应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种可拉伸材料的制备，具体涉及一种高导电海绵状石墨烯基电极材料的制备，属于新材料

技术介绍
对于当今新型的电子设备，研发导电性高，稳定性高，柔软便携的电极材料至关重要。可拉伸电子装置在承受较大机械应力的情况下仍能够展现良好的电学性能，在人体植入装置、柔性便携设备、可穿戴设备、无线感应装置等方面具有广泛的用途。为实现其独立驱动能力，发展可拉伸性的电极材料尤为重要。然而，相关的研究进展较为缓慢，主要原因是优异电学和电化学性能的可拉伸电极材料的制备比较困难。三维海绵状石墨烯具有二维石墨烯优异的电学性质，同时有更大的比表面积以及更加优良的柔韧性，一般程度的扭曲不会影响到材料的性质和特性，有利于可拉伸、稳定性好的电极材料。将柔性三维海绵状石墨烯转移到预拉伸的弹性衬底上，形成柔性的自组装结构，在拉伸-收缩过程中，其基本结构不会被破坏，使其具有超高拉伸性能，相较普通的石墨烯，其柔性更好，弹性更大，其电学及电化学性能在拉伸前后基本保持不变，这对制备可拉伸导电材料具有十分重要的意义。另一方面，由于活性石墨烯电极材料与外接导体的接触电阻较大，单独的三维海绵状石墨烯作为柔性导电电极具有缺陷。本项目研究新型的三维石墨烯/镍颗粒混合结构的柔性电极材料，其本身既起到活性电极材料作用，又起到柔性集流体的作用，与外接导体的接触电阻较小。更重要的是，由于三维石墨烯的柔性和可折叠性，柔性的石墨烯/镍颗粒混合结构可以被改造成周期性皱褶的可拉伸电极材料，从而具有超高拉伸性能，对超级电容器，智能皮肤等电子器件的发展意义重大，且更能够为其他可拉伸器件的制备提供一种方法，为我国的新型可拉伸电子产品的研发做出贡献。可拉伸电极材料的研究对于独立驱动的可拉伸电子产品具有重要的作用，成为近期新能源领域的研究热点。柔性的石墨烯材料作为活性电极材料迅速引起人们的关注，各种不同的二维石墨烯的立体化方法或者三维石墨烯的直接制备在近几年被广泛研究。将立体化的石墨烯进一步处理制备可拉伸石墨烯电极材料的研究刚刚起步，是相关研究领域的发展趋势。高性能的可拉伸石墨烯基活性电极的研究还有两个亟需解决的问题：1.可拉伸石墨烯基活性材料的制备过程复杂，制备成本也较高。大部分制备方法都需要在较高温度、较高真空度等条件下多步处理，需要的制备时间较长，很多还需要利用复杂的湿法或干法转移过程；2.单独石墨烯和外接导线的接触电阻太大，影响电极材料的性能。为了更好的将活性电极的电流导出，我们采用采用泡沫镍与其混合。然而，泡沫镍不能被拉伸，无法直接应用在可拉伸材料中。
技术实现思路
为解决目前电极材料电阻大，较难拉伸，拉伸稳定性不够等缺点，本专利技术提出了一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法；利用一种超高拉伸性能(拉伸长度大于300％)的电极制备方法，制备可拉伸的混合结构。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法，包括步骤如下：(一)化学气相沉积方法在泡沫金属上制备海绵状石墨烯材料将泡沫金属放入真空反应炉加温区中，抽真空，同时加热，将氢气注入真空反应炉中，加热到预定温度100-500℃后恒温10-30分钟然后进行退火，再加热到预定温度900-1100℃后，将碳源通入真空反应炉，同时保持氢气流量不变，生长5-180分钟后关闭气体并降至室温即可得到直接沉积石墨烯的衬底，即石墨烯/泡沫金属；(二)可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构的制备及其转移将制备的石墨烯/泡沫金属浸泡在刻蚀溶液中，缓慢反应，使大部分泡沫金属被化学置换掉，使泡沫金属转变成一个个小的金属颗粒，然后将海绵状石墨烯/金属颗粒混合结构从刻蚀溶液中用印章式捞法捞出，分别在丙酮、酒精和去离子水中清洗，后将预拉伸弹性衬底黏在中空支架上，用同样的印章式捞法转移在预拉伸弹性衬底上，自然晾干，该衬底预拉伸为沿一个方向拉伸到原来长度的1.5到4倍，或者沿两个正交的方向拉伸到原来面积的2到10倍；然后让覆盖柔性石墨烯/金属颗粒混合结构的预拉伸弹性衬底慢慢恢复到原来的长度或面积，依此来制备一种自组装皱褶的可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构。上述制备方法中，步骤(一)中所述的泡沫金属为泡沫镍、钯、钌、铱、铜中的一种或者泡沫合金，优选镍。所述泡沫金属的尺寸为1cm×1cm-30cm×30cm。所述碳源为甲烷、乙炔、乙烯中的一种或者几种。所述碳源的流量控制在1-300sccm，纯度高于99.99％；所述氢气的流量控制在1-100sccm，纯度高于99.99％。所述真空反应炉抽真空度为3×10-3-3×10-6Torr，以去除炉腔中的活性气体，保持清洁的生长环境。所述的退火指的是对衬底表面祛除氧化物等杂志的过程。得到直接沉积石墨烯的衬底后，关闭碳源气体阀门，保持氢气流量不变降温，之后取出沉积的石墨烯。取出衬底材料的方法在于等真空反应炉温度降到室温后，关闭氢气气体阀门、真空泵，用空气将反应炉腔体充满到一个大气压状态，然后将衬底材料取出。制备的石墨烯/泡沫金属中石墨烯的层数为1-10层。步骤(二)中所述的刻蚀溶液为氯化铁或硝酸铁溶液，所述溶液浓度为0.5-5mol/L；所述弹性衬底为PMMA、PDFS等弹性衬底；所述化学置换反应时间为15-1000分钟，反应温度为10-50摄氏度；所述印章式捞法具体为：用柔性的衬底覆盖在海绵状石墨烯/金属颗粒混合结构上，轻压10-30秒，然后慢慢从衬底的一个侧面轻轻抬起，利用石墨烯和衬底之间的小的接触力，将石墨烯衬底捞出。本专利技术的技术关键是(1)在海绵状石墨烯/镍颗粒混合结构的制备过程中，刻蚀过程的工艺技术：刻蚀工艺是决定海绵状石墨烯/镍颗粒混合结构活性电极性质好坏的关键，工艺方法和参数可以控制镍颗粒的大小和密度，从而控制混合结构的电学性质和拉伸性能；(2)在可拉伸海绵状石墨烯/镍颗粒混合结构电极材料的制备过程中，可拉伸衬底和柔性石墨烯/镍颗粒混合结构电极的有效结合技术：可拉伸电极性能的好坏主要取决于拉伸过程中电极是不是容易损坏，将柔性石墨烯/镍颗粒混合结构电极和可拉伸衬底有效结合，制备过程形成周期性的皱褶结构，在拉伸-收缩过程中，只让柔性的皱褶做运动，才能较好的保证柔性材料的完整性，保证电极良好的电学和电化学性能。本专利技术的有益效果是：1)海绵状石墨烯生长温度精确控制；2)生长的石墨烯缺陷峰低，具有极高的晶体质量；3)生长的石墨烯/金属颗粒具有极好的电导率；4)生长的石墨烯尺寸只受CVD腔体的限制，可实现石墨烯的大面积生长；5)湿法转移过程中不需要使用PMMA胶，省时省力；6)转移过程采用印章式转移，石墨烯不会在溶液中任意飘移，避免转移过程中石墨烯的损伤，过程简单易行；7)将金属颗粒包覆在柔性石墨烯中，使混合结构在拉伸的过程中不被损坏，保持原来的电学和电化学性质；8)方法简单可控，成本低廉，应用价值高。附图说明图1为可拉伸石墨烯/金属颗粒混合电极的制备路线图；图2为自制能控制拉伸-收缩速度和次数的装置。图3为可拉伸石墨烯/金属颗粒混合电极的SEM图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明。实施例1在泡沫镍衬底上生长石墨烯并最终生长石墨烯/镍颗粒混合结构，如图1所述制备路线图，包括以下制备步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法，其特征是，包括步骤如下：(一)化学气相沉积方法在泡沫金属上制备海绵状石墨烯材料将泡沫金属放入真空反应炉加温区中，抽真空，同时加热，将氢气注入真空反应炉中，加热到预定温度100‑500℃后恒温10‑30分钟然后进行退火，再加热到预定温度900‑1100℃后，将碳源通入真空反应炉，同时保持氢气流量不变，生长5‑180分钟后关闭气体并降至室温即可得到直接沉积石墨烯的衬底，即石墨烯/泡沫金属；(二)可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构的制备及其转移将制备的石墨烯/泡沫金属浸泡在刻蚀溶液中，缓慢反应，使大部分泡沫金属被化学置换掉，使泡沫金属转变成一个个小的金属颗粒，然后将海绵状石墨烯/金属颗粒混合结构从刻蚀溶液中用印章式捞法捞出，分别在丙酮、酒精和去离子水中清洗，后将预拉伸弹性衬底黏在中空支架上，用同样的印章式捞法转移在预拉伸弹性衬底上，自然晾干，该衬底预拉伸为沿一个方向拉伸到原来长度的1.5到4倍，或者沿两个正交的方向拉伸到原来面积的2到10倍；然后让覆盖柔性石墨烯/金属颗粒混合结构的预拉伸弹性衬底慢慢恢复到原来的长度或面积，依此来制备一种自组装皱褶的可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构。...

【技术特征摘要】
1.一种高导电可拉伸海绵状石墨烯基电极材料的制备方法，其特征是，包括步骤如下：(一)化学气相沉积方法在泡沫金属上制备海绵状石墨烯材料将泡沫金属放入真空反应炉加温区中，抽真空，同时加热，将氢气注入真空反应炉中，加热到预定温度100-500℃后恒温10-30分钟然后进行退火，再加热到预定温度900-1100℃后，将碳源通入真空反应炉，同时保持氢气流量不变，生长5-180分钟后关闭气体并降至室温即可得到直接沉积石墨烯的衬底，即石墨烯/泡沫金属；(二)可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构的制备及其转移将制备的石墨烯/泡沫金属浸泡在刻蚀溶液中，缓慢反应，使大部分泡沫金属被化学置换掉，使其余泡沫金属转变成一个个小的金属颗粒，然后将海绵状石墨烯/金属颗粒混合结构从刻蚀溶液中用印章式捞法捞出，分别在丙酮、酒精和去离子水中清洗，后将预拉伸弹性衬底黏在中空支架上，用同样的印章式捞法转移在预拉伸弹性衬底上，自然晾干，该衬底预拉伸为沿一个方向拉伸到原来长度的1.5到4倍，或者沿两个正交的方向拉伸到原来面积的2到10倍；然后让覆盖柔性石墨烯/金属颗粒混合结构的预拉伸弹性衬底慢慢恢复到原来的长度或面积，依此来制备一种自组装皱褶的可拉伸石墨烯/金属颗粒混合结构；所述印章式捞法具体为：用衬底覆盖在海绵状石墨烯/金属颗粒混合结构上，轻压10-30秒，然后慢慢从衬底的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨诚，毕懿卿，路婧，张超，满宝元，姜守振，修显武，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37