西安交通大學(xué)楊卷與大連理工大學(xué)邱介山合作制備出系列二維石墨烯復(fù)合材料
西安交通大學(xué)楊卷與大連理工大學(xué)邱介山合作制備出系列二維石墨烯復(fù)合材料
隨著電子產(chǎn)品以及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，高性能儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。超級電容器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要分支，憑借其快速的電荷存儲(chǔ)釋放能力（高功率密度）、長時(shí)間循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)吸引了越來越多研究者的興趣。特別是，基于表面電化學(xué)反應(yīng)的超級電容器，可以同時(shí)保持高功率密度和能量密度，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。然而，這類電容器電極材料內(nèi)部緩慢的電子/離子傳輸速率嚴(yán)重阻礙了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致超級電容器的存儲(chǔ)/釋放效率低于預(yù)期。因此，改善電極材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是提升超級電容器電化學(xué)性能的關(guān)鍵策略之一。
針對上述問題，西安交通大學(xué)青年教師楊卷與大連理工大學(xué)邱介山教授合作，在前期利用導(dǎo)電高分子-聚苯胺（PANI）和氧化石墨烯作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑實(shí)現(xiàn)鎳鈷氧化物/氫氧化物可控生長，構(gòu)筑高性能石墨烯復(fù)合材料的研究基礎(chǔ)上（Chem.Mater.，2016，28，5855;Adv.Funct.Mater.，2018，28，1803272;Chem.Eur.J.，2019，25，5527），近日，該團(tuán)隊(duì)通過聚乙烯亞胺高分子（PEI）調(diào)控和誘導(dǎo)生長的普適性設(shè)計(jì)構(gòu)筑策略，制備了系列二維石墨烯復(fù)合材料（G-P-X，X代表CoS，NiCoS，F(xiàn)eOOH等）。研究結(jié)果表明，PEI高分子中的含氮基團(tuán)作為橋連位點(diǎn)，可有效提升石墨烯和電化學(xué)活性物種之間的耦合作用，同時(shí)，獨(dú)特的二維復(fù)合結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步加強(qiáng)電子/離子的遷移速率。
將所制備的石墨烯復(fù)合材料作為超級電容器的電極材料，在1 A g?1的電流密度下，其比電容最高可達(dá)815 F g?1，遠(yuǎn)高于其他對比樣品。且經(jīng)過20000次長周期充放電循環(huán)測試，其電容保持率高達(dá)86.5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。為進(jìn)一步拓展該電極材料的實(shí)際應(yīng)用，隨后將其與活性炭結(jié)合構(gòu)筑的不對稱電容器，在700 W kg?1的高功率密度下，其能量密度高達(dá)44.6 Wh kg?1，呈現(xiàn)廣闊應(yīng)用潛力，這項(xiàng)研究工作亦為其他新型電極材料的設(shè)計(jì)和實(shí)用化提供了新思路。
圖1(a)二維石墨烯復(fù)合材料(G-P-CoS)的制備過程示意圖以及(b)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)(c)電化學(xué)性能表征
上述相關(guān)研究成果近期以“Polyethyleneimine-Mediated Fabrication of Two-Dimensional Cobalt Sulfide/Graphene Hybrid Nanosheets for High-Performance Supercapacitors”為題發(fā)表ACS Applied Materials&Interfaces(ACS Appl.Mater.Interfaces，2019，DOI:10.1021/acsami.9b03934，IF:8.456)上。博士生王滿為論文的第一作者，青年教師楊卷和邱介山教授為共同通訊作者，該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金以及科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等資金的支持。
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