一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極及其制備方法，本發(fā)明以浸涂聚合物凝膠電解質(zhì)的石墨烯纖維為內(nèi)電極，將石墨烯/氫化TiO2納米棒纖維順序緊密纏繞在內(nèi)電極上，構(gòu)建所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。本發(fā)明的制備方法包括：制備氧化石墨烯纖維；還原制備石墨烯纖維；制備石墨烯/氫化TiO2納米棒纖維；最后將石墨烯/氫化TiO2納米棒纖維順序緊密纏繞在纖維電極上，即構(gòu)建成所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。本發(fā)明制備的光電極具有制備簡單、導電性好、可見光活性高、柔性好、可編織等優(yōu)點。本發(fā)明可用于太陽能轉(zhuǎn)化及有機廢氣光催化降解，在光電轉(zhuǎn)化領域具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極及其制備方法
[0001]
技術(shù)領域
[0002]本發(fā)明屬于柔性光電轉(zhuǎn)化器件材料領域，具體涉及一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，因其具有優(yōu)異的力學、光學、電學、熱學性能以及獨特的二維結(jié)構(gòu)，引起了世界各國學者的廣泛關注。為了推動石墨烯材料的實際應用，需將其制成一維的纖維、二維的薄膜以及三維的氣凝膠等宏觀組裝結(jié)構(gòu)。其中，石墨烯纖維以其良好的力學強度、柔韌性、導電性和可編織性，迅速成為石墨烯領域的研究熱點之一。目前，石墨烯纖維已在光伏電池、超級電容器、柔性纖維狀驅(qū)動器、固相微萃取、催化等方面顯示出潛在的應用價值，如中國專利CN103390507 B公布了一種石墨烯/鉑納米粒子復合纖維電極材料及其制備方法，以它為對電極的纖維狀染料敏化太陽能電池達到了 8.45%的光電轉(zhuǎn)化效率，是迄今為止所報導的線狀太陽能電池最高效率；中國專利CN 104916453 A公布了一種同軸石墨稀纖維超級電容器及其制備方法，該電容器比電容高、循環(huán)性良好、有很好的韌性；中國專利CN 104949609 A公開了一種石墨烯柔性傳感器及其制造方法，該傳感器具有優(yōu)良形變能力和較高電阻應變靈敏系數(shù)。這些基于石墨烯纖維的器件呈現(xiàn)出良好的柔韌性和可編織性，在可穿戴電子器件領域具有廣闊的應用前景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極及其制備方法。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極，其內(nèi)電極為表面浸涂聚合物凝膠電解質(zhì)的石墨烯纖維，外電極為石墨烯/氫化T12納米棒纖維，由所述外電極順序緊密纏繞在內(nèi)電極上構(gòu)建。
[0006]—種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、將氧化石墨烯配制成10?20mg/ml的去離子水分散液，采用注射栗及00.5?
0.9mm的注射針頭將分散液注入到凝固浴中，浸泡10?30min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯纖維，備用；
步驟2、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于還原氛圍中，60?90°C下還原6?12h，得到石墨烯纖維；
步驟3、將步驟2制得的石墨烯纖維浸涂聚合物凝膠電解質(zhì)，得到凝膠電解質(zhì)包裹的石墨烯纖維狀電極，備用；
步驟4將、步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液中，密閉于反應釜中，經(jīng)過水熱反應在石墨烯纖維表面修飾T12納米棒，清洗干燥后在H2/Ar氣氛中熱處理即得石墨烯/氫化T12納米棒纖維；
步驟5、將步驟4制得的石墨烯/氫化T12納米棒纖維順序緊密纏繞在步驟3制得的纖維電極上，即構(gòu)建成所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。
[0007]進一步，所述的步驟I中的凝固浴為:含有I?5wt% CaCl2的乙醇/水溶液，其中乙醇/水溶液為按1:1的體積比將乙醇和水均勻混合制得。
[0008]進一步，所述的步驟2中的還原氛圍為35?45%HI溶液。
[0009]進一步，所述的步驟3中的聚合物凝膠電解質(zhì)為聚乙烯醇/磷酸凝膠電解質(zhì)，其包含I份的聚乙烯醇，9份水和I份磷酸。
[0010]進一步，所述的步驟4中的鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液各組分的體積比為1:8 ?12:8 ?12。
[0011 ]進一步，所述的步驟4中的的水熱反應溫度為120?180 °C，水熱反應時間為8?12
ho
[0012]進一步，所述的步驟4中的H2/Ar氣氛中熱處理方法為:H2(5?20%)/Ar氣氛中250?450°C下加熱3?6h。
[0013]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明在石墨稀纖維表面負載氫化Ti02納米棒，一方面，Ti02納米棒降低了光生電子-正穴的再結(jié)合幾率;另一方面，氫化T12具有較高的可見光活性及導電性;致使石墨烯/氫化T12納米棒纖維具有高光電轉(zhuǎn)化性能。
[0014]2、石墨烯纖維復合光電極的芯鞘型結(jié)構(gòu)具有較高接觸面積，有利于電子的快速傳遞和轉(zhuǎn)移，進而提尚復合光電極的光電轉(zhuǎn)化性能。
[0015]3、石墨烯對有機廢棄物吸附能力強，有利于石墨烯纖維復合光電極對有機污染物的光催化降解及光電轉(zhuǎn)化。
[0016]4、石墨烯纖維復合光電極柔韌性好，可編織，易于放大化。
【附圖說明】
[0017]圖1是芯鞘型石墨烯纖維復合光電極制備流程示意圖圖2是石墨烯纖維復合光電極的光學圖片。
【具體實施方式】
[0018]為了更好地理解本發(fā)明，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明:
實施例1:
一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、將氧化石墨烯配制成15mg/mL的去離子水分散液，采用注射栗及00.7mm的注射針頭將分散液注入到含3wt% CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，浸泡20min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯纖維，備用；
步驟2、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于40%HI溶液中，800C下還原1h，得到石墨烯纖維；
步驟3、將步驟2制得的石墨烯纖維浸涂聚乙烯醇/磷酸凝膠電解質(zhì)，得到凝膠電解質(zhì)包裹的纖維狀電極，備用；
步驟4、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于體積比為1:10:10的鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液中，密閉于反應釜中，在150 °C溫度下水熱反應1h，清洗干燥后在H2 (10%) /Ar氣氛中250°C下加熱5h即得石墨烯/氫化T12納米棒纖維；
步驟5、將步驟4制得的石墨烯/氫化T12納米棒纖維順序緊密纏繞在步驟3制得的纖維電極上，即構(gòu)建成所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。
[0019]實施例2:
一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、將氧化石墨烯配制成10mg/mL的去離子水分散液，采用注射栗及00.5mm的注射針頭將分散液注入到含5wt% CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴，浸泡15min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯纖維，備用；
步驟2、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于35%HI溶液中，60 0C下還原12h，得到石墨烯纖維；
步驟3、將步驟2制得的石墨烯纖維浸涂聚乙烯醇/磷酸凝膠電解質(zhì)，得到凝膠電解質(zhì)包裹的纖維狀電極，備用；
步驟4、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于體積比為1:8:8的鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液中，密閉于反應釜中，在120 °C溫度下水熱反應18 h，清洗干燥后在H2 (15%)/Ar氣氛中250°C下加熱6h即得石墨烯/氫化T12納米棒纖維；
步驟5、將步驟4制得的石墨烯/氫化T12納米棒纖維順序緊密纏繞在步驟3制得的纖維電極上，即構(gòu)建成所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。
[0020]實施例3:
一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、將氧化石墨烯配制成20mg/mL的去離子水分散液，采用注射栗及00.9mm的注射針頭將分散液注入到含2wt% CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，浸泡30min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯纖維，備用；
步驟2、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于45%HI溶液中，900C下還原6h，得到石墨烯纖維；
步驟3、將步驟2制得的石墨烯纖維浸涂聚乙烯醇/磷酸凝膠電解質(zhì)，得到凝膠電解質(zhì)包裹的纖維狀電極，備用；
步驟4、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于體積比為1:12:12的鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液中，密閉于反應釜中，在180°C溫度下水熱反應1h，清洗干燥后在H2(15%)/Ar氣氛中450°C下加熱3h即得石墨烯/氫化T12納米棒纖維；
步驟5、將步驟4制得的石墨烯/氫化T12納米棒纖維順序緊密纏繞在步驟3制得的纖維電極上，即構(gòu)建成所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。
[0021]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極，其特征在于:所述的電極其內(nèi)電極為表面浸涂聚合物凝膠電解質(zhì)的石墨烯纖維，外電極為石墨烯/氫化T12納米棒纖維，所述外電極順序緊密纏繞在內(nèi)電極上構(gòu)建。2.—種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將氧化石墨烯配制成10?20mg/ml的去離子水分散液，采用注射栗及00.5?0.9mm的注射針頭將分散液注入到凝固浴中，浸泡10?30min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯纖維，備用； 步驟2、將步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于還原氛圍中，60?90°C下還原6?12h，得到石墨烯纖維； 步驟3、將步驟2制得的石墨烯纖維浸涂聚合物凝膠電解質(zhì)，得到凝膠電解質(zhì)包裹的石墨烯纖維狀電極，備用； 步驟4將、步驟I制得的氧化石墨烯纖維置于鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液中，密閉于反應釜中，經(jīng)過水熱反應在石墨烯纖維表面修飾T12納米棒，清洗干燥后在H2/Ar氣氛中熱處理即得石墨烯/氫化T12納米棒纖維； 步驟5、將步驟4制得的石墨烯/氫化T12納米棒纖維順序緊密纏繞在步驟3制得的纖維電極上，即構(gòu)建成所述的芯鞘型石墨烯纖維復合光電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟I中的凝固浴為:含有I?5 wt% CaCl2的乙醇/水溶液，其中乙醇/水溶液為按1:1的體積比將乙醇和水均勻混合制得。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于:所述的步驟2中的還原氛圍為35?45% HI溶液。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟3中的聚合物凝膠電解質(zhì)為聚乙烯醇/磷酸凝膠電解質(zhì)，其包含I份的聚乙烯醇，9份水和I份磷酸。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟4中的鈦酸丁酯-去離子水-鹽酸混合溶液各組分的體積比為1:8?12:8?12。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟4中的的水熱反應溫度為120?180 °C，水熱反應時間為8?12h。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯鞘型石墨烯纖維復合光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟4中的H2/Ar氣氛中熱處理方法為:H2(5?20%)/Ar氣氛中250?450°C下加熱3?6h0
【文檔編號】D06M101/40GK106098154SQ201610354940
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】楊政鵬, 張春靜, 張雪峰, 張春雷, 趙威, 牛宇濤, 管學茂
【申請人】河南理工大學