一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用。本发明专利技术成功配制了具有良好印刷适性的石墨烯/氧化铁基功能油墨，并通过叠印和印刷套准技术，实现了石墨烯/氧化铁基柔性电极的可控制备。进一步实现了图案可定制、基底可变换、性能可控制的柔性超级电容器和器件阵列的直接印刷制备。本发明专利技术制备的石墨烯/氧化铁基柔性超级电容器具有14.3

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用


[0001]本专利技术涉及功能油墨
，尤其涉及一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用。

技术介绍

[0002]随着新型通信技术和智能移动终端的快速发展，可穿戴电子器件已经展示出了庞大的市场需求和广阔的应用前景。为了满足柔性可穿戴电子设备的使用要求，必须设计与可穿戴设备相兼容的柔性能源器件。柔性超级电容器具有高的功率密度、快速的充/放电能力和较长的使用寿命，具有较高的应用潜力。而且其通常使用水系电解质，一般不存在爆炸等风险，可以满足可穿戴电子设备对于高安全性的要求。
[0003]目前已有的用于制备柔性超级电容器的微纳加工方法(如光刻法、激光划线、掩模版法、等离子体刻蚀等)通常涉及多个复杂的过程，这些过程会导致制备成本增加、效率降低。而且大多传统的微纳加工技术有着基底的限制，需要使用刚性基底，难以在柔性薄膜基底上实现制备，严重限制了柔性超级电容器的产业化应用前景。与其它技术相比，印刷电子技术可以低成本、大批量地制备图案化的柔性电子器件，具有显著的应用优势。
[0004]配制印刷适性良好和电化学性能较高的功能油墨是利用印刷电子技术制备柔性超级电容器的关键。由于目前可用于印刷制备柔性超级电容器的功能油墨种类较少，因此亟须开发一系列可用于制备柔性超级电容器的功能油墨。另外，由于柔性超级电容器的进一步应用(如制备柔性超级电容器阵列和非对称柔性超级电容器)需要制备性能、形状可控的柔性电极，而这一技术难题还亟待解决。因此，可控的柔性印刷制备技术也需要被进一步研究。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，为实现图案化、可集成化的可控制备高性能印刷柔性超级电容器，现提供一种石墨烯/氧化铁基功能油墨及其制备方法和其应用。
[0006]上述方案的有益效果是：
[0007]1)本专利技术仅使用六水合氯化铁、氧化石墨烯和去离子水作为原料，未添加其它试剂控制形貌，以简单的水热法一步实现氧化铁的合成以及与石墨烯的复合，制备了比电容达到703.91F g
‑1(1A g
‑1)的石墨烯/氧化铁复合材料；上述合成步骤具有低成本、步骤简单、环境友好等优点，适合大批量工业化应用；
[0008]2)本专利技术提供的石墨烯/氧化铁复合材料中氧化石墨烯作为Fe2O3的结晶位点，其与Fe
3+
之间的强相互作用可以控制Fe2O3晶体的生长，使在其未添加模板剂的条件下形成形貌均一、粒径尺寸较小(50
‑
100nm)、结晶程度较好的球状纳米颗粒；上述复合材料中氧化铁颗粒作为层间间隔物可有效抑制石墨烯纳米片间的聚集和堆叠现象，同时由于其与石墨烯纳米片通过C
‑
O
‑
Fe
3+
键相连接，使其被锚定在纳米片上，很大程度上也避免了纳米颗粒之间的聚集；
[0009]3)本专利技术使用石墨烯/氧化铁电极材料作为活性物质，乙基纤维素作为连接料，乙炔黑作为导电剂，乙醇作为溶剂，制备获得了具有良好印刷适性的功能油墨，该功能油墨可通过丝网印刷技术在多种基底上制备形成柔性电极，解决了目前石墨烯基材料难以配制成油墨的问题；而且，由于本专利技术配制的油墨溶剂为易挥发性溶剂，因此所印刷上的墨层可以在室温快速干燥，实现连续反复的叠印，免去烘干的步骤；
[0010]4)本专利技术所制备的柔性电极具备基底适应性强、图案可定制和易于集成的优势，通过改变丝网印刷网板的形状可以得到具有不同形状的柔性超级电容器，通过改变基底可以适应不同应用场景，通过直接印刷导线和电极可以快速制备集成化的柔性器件阵列；
[0011]5)本专利技术首次通过叠印和印刷套准技术实现了性能可控的丝网印刷电极的制备，解决了制备性能可控的柔性电极的技术难题，即通过不同次数的叠印使印刷电极的电化学性能实现了线性均匀上升，从而实现了通过改变电极的质量改变印刷电极的比电容。通过将不同叠印层数的印刷电极组装为器件，即可得到性能可控的印刷柔性超级电容器。为制备非对称柔性超级电容器以及柔性超级电容器阵列等更深层次应用提供了坚实基础。
[0012]6)本专利技术提供的印刷柔性超级电容器比电容最高可达119.37mF*cm
‑2(0.1mA*cm
‑2)，在0.04mW*cm
‑2的功率密度下可以保持10.6μWh*cm
‑2的能量密度，具有较高的电化学性能；且200次弯曲循环测试后器件的电化学性能没有下降；
[0013]7)本专利技术中通过丝网印刷技术直接制备的三个单体串联的器件阵列的电压窗口可达到2.4V，将其为商用温度计供电时电能供应稳定，有着较大的应用潜力。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁复合材料功能油墨的照片图；
[0015]图2为本专利技术的实施例中提供的印刷电极的制备过程示意图；
[0016]图3为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁复合材料的扫描电镜图像；
[0017]图4为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁复合材料的透射电镜图像；
[0018]图5为本专利技术的实施例中提供的氧化石墨烯与石墨烯/氧化铁复合材料的红外光谱对比图；
[0019]图6为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁复合材料的充放电曲线；
[0020]图7为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁基印刷电极的扫描电镜图像；
[0021]图8为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁基柔性印刷超级电容器在不同弯曲半径下的充放电曲线；
[0022]图9为本专利技术的实施例中提供的石墨烯/氧化铁基柔性印刷超级电容器的充放电曲线；
[0023]图10为本专利技术的实施例中提供的图案化印刷电极的照片；
[0024]图11为本专利技术中直接印刷制得的串、并联柔性超级电容器阵列的充放电曲线；
[0025]图12为本专利技术中印刷制得的三个单体串联的柔性超级电容器阵列为商用温度计供能的照片；
[0026]图13为本专利技术中石墨烯/氧化铁基功能油墨在集流体(L0)和叠印层数为一层(L1)、三层(L3)、六层(L6)的柔性电极上的接触角；
[0027]图14为本专利技术中印刷电极叠印层数与墨层质量的关系图；
[0028]图15为本专利技术中印刷电极墨层质量与面积比电容的关系图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0030]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0032]实施例1
[0033]一种以热塑性聚氨酯薄膜为基底的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/氧化铁基功能油墨的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)石墨烯/氧化铁复合材料的制备：将六水合氯化铁加入含有氧化石墨烯的水分散液中，超声搅拌混合均匀，再将混合液水热反应一段时间后离心、洗涤，得到石墨烯/氧化铁复合材料；2)功能油墨的制备：将乙基纤维素与乙醇混合形成乙基纤维素连接料，再将石墨烯/氧化铁复合材料、乙基纤维素连接料、导电剂混合均匀，加入乙醇以将物料固含量调节为25
‑
35％，搅拌混合均匀，得功能油墨。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)水分散液中氧化石墨烯浓度为2mg/mL，且氧化石墨烯与六水合氯化铁的质量比为(2
‑
5)：1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中水热反应温度为180℃，反应时间为12h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中乙基纤维素连接料的质量分数为5％，且石墨烯/氧化铁复合材料、导电剂及乙基纤维素连接料的质量比为75：15：10。5.一种石墨烯/氧化铁基功能油墨，其特征在于，根据权利要求1
‑
4任一项所述制备方法制备获得。6.权利要求5所述石墨烯/氧化铁基功能油墨在柔性超级电容器中...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟，张心宇，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：