一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法技术

一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法是将三氯化铁溶液滴加到去离子水中，水解得到氢氧化铁胶体溶液，再滴加到搅拌着的氧化石墨烯溶液中，滴加完继续搅拌，然后在常温环境中静置，通过真空抽滤机抽滤，干燥后将薄膜从滤膜上剥离，得到氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜；将氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜放入高压反应釜，去离子水作溶剂，高温反应，取出后干燥，所得氧化铁/石墨烯薄膜。本发明专利技术具有制备过程简单易操作，绿色环保，比电容和倍率性能高，较好柔性的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容器电极材料的制备领域，特别涉及一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种二维碳纳米材料，具有高的电导率和优异的机械性能以及大的理论比表面积，约为2630m2/g，是一种非常有潜力的超级电容器双电层电极材料。但是石墨烯，尤其是氧化石墨烯非常容易团聚或堆积，使得有效比表面积减小，不利于电解液离子进入电极材料内部，导致实际电容量大大减小。目前解决石墨烯团聚问题的一个非常有效的方法是通过与赝电容电极材料复合，其中与金属氧化物电极材料复合能够获得优异的电化学性能。在众多金属氧化物电极材料中，氧化铁是一种自然界含量丰富，成本低，环境危害小，化学性质稳定的金属氧化物，作为电极材料具有电位窗口宽，理论容量高的优势，是一种很好的赝电容电极材料。但同时氧化铁颗粒本身容易团聚，而且导电率也比较低，这些缺点限制了其在能源储能领域的应用。通过氧化铁与石墨烯复合，一方面不仅将氧化铁的赝电容引入石墨烯，同时大大减小石墨烯片层堆积和氧化铁颗粒团聚，使复合材料的比表面积增加，电解液离子也更容易与电极材料接触。另一方面，石墨烯作为支架提供了高导电网络，有利于离子和电荷传输。所以将两种材料复合能够充分发挥二者的协同效应。氧化铁与石墨烯的复合物在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景，受到研究者的广泛关注。然而，目前所制备的氧化铁/石墨烯复合材料多是粉末状，粉末状电极材料制备时需要添加导电剂和粘结剂进行研磨和涂覆过程，工艺即繁琐又费时。经检索薄膜状复合物未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，该方法具有制备过程简单易操作，绿色环保，比电容和倍率性能高，且具有较好柔性的优点。本专利技术是将氧化铁与石墨烯通过薄膜形式复合，可以直接作为超级电容器电极材料使用，省去了粉末材料制备时需要添加导电剂和粘结剂的研磨和涂覆过程，大大节约了时间，适合工业化生产。而且该薄膜还具有较好的柔性，有望在柔性储能领域得到应用。本专利技术的一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将三氯化铁溶液滴加到去离子水中，水解得到氢氧化铁胶体溶液；(2)将氢氧化铁胶体溶液滴加到搅拌着的氧化石墨烯溶液中，滴加完继续搅拌，然后在常温环境中静置；(3)将步骤(2)的复合溶液通过真空抽滤机抽滤，干燥后将薄膜从滤膜上剥离，得到氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜；(4)将氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜放入高压反应釜，去离子水作溶剂，高温反应，取出后干燥，所得氧化铁/石墨烯薄膜。步骤(1)中所述的三氯化铁溶液为饱和溶液。步骤(1)中所述的去离子水为煮沸状态。步骤(1)中所述的三氯化铁溶液与去离子水的体积比控制在1:100-400。步骤(2)中所述的氧化石墨烯溶液浓度为1-4mg/mL。步骤(2)中所述的氢氧化铁胶体溶液与氧化石墨烯溶液的体积比控制在0.5-2：1。步骤(2)中所述的搅拌时间为0.5-2小时，静置时间为12-24小时。步骤(3)中所述的复合溶液体积:滤膜面积控制在0.6mL-4.8mL：1cm2。步骤(3)中所述的滤膜干燥的条件为室温或40-60℃。步骤(4)中所述的高温反应温度为160-200℃，反应时间控制在10到16小时。步骤(4)中所述的氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜质量：去离子水体积控制在8mg-17.5mg：20mL。步骤(4)中所述的干燥条件为室温。本专利技术将氧化铁纳米颗粒与石墨烯以薄膜形式复合，一方面将氧化铁的赝电容引入石墨烯，同时大大减小石墨烯片层堆积和氧化铁颗粒团聚，使复合材料的比表面积得到增加，电解液离子也更容易与电极材料接触。另一方面，石墨烯作为支架提供了高导电网络，从而有利于离子和电荷传输。因此氧化铁/石墨烯薄膜电极材料具有优异的电化学性能。本专利技术制备氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料，制备过程简单易操作，绿色环保、材料比电容高，倍率性能好，且具有较好的柔性，在柔性储能领域有广阔的应用前景。相对现有氧化铁/石墨烯复合物制备方法，本专利技术具有以下优点：1、该方法使用的原料简单：以三氯化铁为原料水解得到氢氧化铁胶体，氢氧化铁作为氧化铁纳米颗粒前躯体，通过静电作用力与氧化石墨烯复合。2、该方法制备过程中不需要使用碱性沉淀剂，还原过程中也不需要使用化学还原试剂，对环境污染小。3、该方法使用去离子水作溶剂，采用160-200℃还原温度，与一般的高温热还原需要通氮气或者氩气等惰性气体保护，500℃以上的还原温度相比，节约了能源。4、所采用的设备简单，只需要一个真空抽滤机，对设备要求低，成本低廉，其制备方法容易推广到其它氧化物/石墨烯薄膜的制备中。5、该方法得到薄膜形式的氧化铁/石墨烯复合物，无需添加导电剂、粘结剂以及费时的研磨和涂覆过程，节约了时间，适合工业化生产。6、该方法制备的氧化铁/石墨烯薄膜作为超级电容器电极材料比电容高，倍率性能好，且具有较好的柔性，在柔性储能领域有广阔的应用前景。附图说明图1为实施例1制备的氧化铁/石墨烯薄膜与纯石墨烯薄膜的X射线衍射图对比。图2为实施例1制备的氧化铁/石墨烯薄膜断面的扫描电子显微镜图片，插图为氧化铁/石墨烯薄膜的数码照片。图3为实施例制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极在2M氢氧化钾电解液中，在10mV/s扫描速率下的循环伏安曲线图对比。其中，a曲线为实施例1制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极的循环伏安曲线，b曲线为实施例2制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极的循环伏安曲线，c曲线为实施例3制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极的循环伏安曲线。图4为实施例制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极在2M氢氧化钾电解液中，在2A/g电流密度下的恒电流充放电曲线图对比。其中，a曲线为实施例1制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极的恒电流充放电曲线，b曲线为实施例2制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极的恒电流充放电曲线，c曲线为实施例3制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极的恒电流充放电曲线。图5为实施例制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极在2M氢氧化钾电解液中，在不同电流密度下的比电容曲线图。其中，a曲线为实施例1制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极在不同电流密度下的比电容曲线，b曲线为实施例2制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极在不同电流密度下的比电容曲线，c曲线为实施例3制备的氧化铁/石墨烯薄膜电极在不同电流密度下的比电容曲线。具体实施方式以下将结合具体的实施例，对本专利技术作进一步详尽阐述。应理解，本专利技术所描述的实施例，仅作为本专利技术的较佳实施例，而不是用于限制本专利技术的实施例。此外，根据本专利技术的主要构思和原理，本领域的技术人员可以很方便地对本专利技术作各种相应的改动和修改，这些没有做出创造性劳动前提下作出的改动和修改，都属于本申请所附权利要求书所要求的保护范围。实施例11、配制三氯化铁饱和溶液，量取200mL去离子水煮沸，将1mL三氯化铁饱和溶液滴加到煮沸的去离子水中，滴加完后继续煮沸1分钟，水解得到氢氧化铁胶体溶液。称取0.02g氧化石墨分散到10mL去离子水中超声分散1小时，得到氧化石墨烯溶液。将10mL氢氧化铁胶体溶液滴加到搅拌着的10mL氧化石墨烯溶液中，滴加完继续搅拌2小时，然后在常温下静置12小时，得到氢氧化铁/氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将三氯化铁溶液滴加到去离子水中，水解得到氢氧化铁胶体溶液；（2）将氢氧化铁胶体溶液滴加到搅拌着的氧化石墨烯溶液中，滴加完继续搅拌，然后在常温环境中静置；（3）将步骤（2）的复合溶液通过真空抽滤机抽滤，干燥后将薄膜从滤膜上剥离，得到氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜；（4）将氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜放入高压反应釜，去离子水作溶剂，高温反应，取出后干燥，所得氧化铁/石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将三氯化铁溶液滴加到去离子水中，水解得到氢氧化铁胶体溶液；（2）将氢氧化铁胶体溶液滴加到搅拌着的氧化石墨烯溶液中，滴加完继续搅拌，然后在常温环境中静置；（3）将步骤（2）的复合溶液通过真空抽滤机抽滤，干燥后将薄膜从滤膜上剥离，得到氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜；（4）将氢氧化铁/氧化石墨烯薄膜放入高压反应釜，去离子水作溶剂，高温反应，取出后干燥，所得氧化铁/石墨烯薄膜。2.如权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的三氯化铁溶液为饱和溶液。3.如权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的去离子水为煮沸状态。4.如权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的三氯化铁溶液与去离子水的体积比控制在1:100-400。5.步如权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯薄膜超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于骤（2）中所述的氧化石墨烯溶液浓度为1-4mg/mL。6.如权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕春祥，张惠芳，陈成猛，谢莉婧，袁淑霞，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：山西;14