一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用、超级电容器

本发明涉及石墨材料及电化学储能，尤其涉及一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用、超级电容器。

背景技术：

1、还原氧化石墨烯是一种由氧化石墨烯经还原处理得到的石墨烯基碳材料，具有较好的导电性、较高的比表面积和良好的结构稳定性，在超级电容器电极材料等领域具有广泛的应用前景。

2、传统还原氧化石墨烯的制备方法通常是先制备氧化石墨烯，再采用化学还原剂对其进行还原处理，以去除含氧官能团并恢复部分sp2碳骨架结构，从而提高材料的导电性和电化学性能。如现有氧化石墨烯的制备原料多为鳞片石墨或石墨粉，采用改进的hummers法制备氧化石墨，用纯水稀释氧化产物，经超声、振荡或强力搅拌处理，得氧化石墨烯酸液，再将氧化石墨烯酸液加入还原性铁粉，制得的石墨烯粉体作为电极材料制得的电容器存在倍率性能和循环稳定性差的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用、超级电容器。本发明制得的还原氧化石墨烯作为电极材料制得的电容器的倍率性能和循环稳定性好。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种还原氧化石墨烯（rgo）的制备方法，包括以下步骤：

4、以可膨胀石墨（eg）为原料，采用化学氧化法制备氧化石墨烯水分散液；

5、将所述氧化石墨烯水分散液中加入铁粉进行原位还原反应，得到所述还原氧化石墨烯；

6、以1质量份所述可膨胀石墨制得的氧化石墨烯水分散液计，所述铁粉与可膨胀石墨的质量比为4~12：1。

7、优选的，所述铁粉与可膨胀石墨的质量比为10：1。

8、优选的，所述铁粉均分为三次加入所述氧化石墨烯水分散液中。

9、优选的，所述原位还原反应的温度为20~25℃。

10、优选的，所述化学氧化法采用浓硫酸-过硫酸钾氧化体系。

11、本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的还原氧化石墨烯。

12、本发明还提供了上述技术方案所述的还原氧化石墨烯在超级电容器领域中的应用。

13、本发明还提供了一种超级电容器，包括上述技术方案所述的还原氧化石墨烯。

14、优选地，所述超级电容器为对称型水系超级电容器，所述超级电容器的正极和负极均含有所述还原氧化石墨烯。

15、优选地，所述超级电容器的电解液为6m的koh水溶液。

16、本发明提供了一种还原氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：以可膨胀石墨为原料，采用化学氧化法制备氧化石墨烯水分散液；将所述氧化石墨烯水分散液中加入铁粉进行原位还原反应，得到所述还原氧化石墨烯；以1质量份所述可膨胀石墨制得的氧化石墨烯水分散液计，所述铁粉与可膨胀石墨的质量比为4~12：1。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、本发明通过以可膨胀石墨替代传统的鳞片石墨或者石墨粉作为原料，并通过调控还原铁粉用量，调控所得还原氧化石墨烯的还原程度、缺陷特征及孔结构参数，进而提高以还原氧化石墨烯作为电极材料制得的电容器的倍率性能和循环稳定性，所述铁粉与可膨胀石墨的质量比为4~12：1有助于提高脱氧程度，并对片层褶皱、缺陷以及介孔结构产生调节作用，从而改善电子传输和电解液离子扩散条件，避免了过量铁粉用量造成的还原程度和孔结构的改善趋于有限，电化学性能不会继续提高的问题。

19、进一步的，本发明所述化学氧化法采用浓硫酸-过硫酸钾氧化体系，可膨胀石墨较为疏松的层间结构有利于酸和氧化剂进入层间，促进后续氧化和片层剥离，铁粉在酸性水分散体系中能够提供电子，使氧化石墨烯表面的部分含氧官能团被去除，并使部分sp2共轭碳结构得到恢复，且以可膨胀石墨作为原料，并采用过硫酸钾进行氧化处理，有利于缩短氧化石墨烯的制备反应时间，简化前驱体制备流程。

20、实施例结果表明，当还原铁粉用量由4g增加至10g时，所得还原氧化石墨烯的还原程度提高，含氧官能团持续减少，并形成以2~6nm介孔为主的连通孔结构；当还原铁粉用量进一步增至12g时，材料的结构调控增益趋于有限；采用10g还原铁粉制备得到的还原氧化石墨烯表现出最佳电化学性能：在三电极体系中，1a/g下比电容达到251.4f/g，50a/g下电容保持率为71.73%，进一步组装得到的对称型超级电容器在20a/g条件下循环20000次后仍保持88.40%的电容保持率，表现出良好的倍率性能和循环稳定性。本发明为高性能石墨烯基超级电容器电极材料的制备提供了一种简便、绿色且有效的技术途径。

1.一种还原氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁粉与可膨胀石墨的质量比为10：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁粉均分为三次加入所述氧化石墨烯水分散液中。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原位还原反应的温度为20~25℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学氧化法采用浓硫酸-过硫酸钾氧化体系。

6.权利要求1~5任一项所述的制备方法制得的还原氧化石墨烯。

7.权利要求6所述的还原氧化石墨烯在超级电容器领域中的应用。

8.一种超级电容器，其特征在于，包括权利要求6所述的还原氧化石墨烯。

9.根据权利要求8所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器为对称型水系超级电容器，所述超级电容器的正极和负极均含有所述还原氧化石墨烯。

10.根据权利要求8所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器的电解液为6m的koh水溶液。