胡征教授課題組在超高功率超級電容器碳材料研究中取得重要進(jìn)展
最近，介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡征教授課題組在超高功率超級電容器電極材料研究中取得重要進(jìn)展，題為“Porous 3D few-layer graphene-like carbon for ultrahigh-power supercapacitors with well-defined structure-performance relationship”的論文以通訊形式發(fā)表于《先進(jìn)材料》(Advanced Materials 2017 doi: 10.1002/adma.201604569)，第一作者為博士生趙進(jìn)。該工作受到《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》（Acta Physico-Chimica Sinica）主編、中科院院士劉忠范教授的關(guān)注，他在該學(xué)報(bào)上撰寫了題為“多孔三維寡層類石墨烯：超高功率超級電容器碳材料”的Highlight文章（doi: 10.3866/PKU.WHXB201703203），進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道。
雙電層超級電容器（EDLC）通過表面靜電吸附存儲電荷，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛重視。理想的EDLC電極材料應(yīng)同時(shí)具備高的比表面積、均衡分布的孔結(jié)構(gòu)、高的導(dǎo)電性、以及優(yōu)異的浸潤性等性質(zhì)。sp2雜化的碳材料具有導(dǎo)電性好、形態(tài)結(jié)構(gòu)豐富、電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)易于調(diào)控等特點(diǎn)，成為開發(fā)先進(jìn)EDLC電極材料的重要源泉。其中，石墨烯是一種很有前途的電極材料，導(dǎo)電性好，理論面積比電容可達(dá)21 μF cm−2。但通常石墨烯片層間的π-π堆垛會顯著降低其比表面積，影響電解液傳輸?shù)膬?nèi)部孔道，難以充分發(fā)揮其潛力，一般需要采取比較復(fù)雜的工藝技術(shù)以克服這些不足。
近年來胡征教授課題組發(fā)展了一種原位氧化鎂模板法制備碳基納米籠的新方法，所得納米籠呈新穎的分級結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、微孔-介孔-大孔共存、導(dǎo)電性優(yōu)良、浸潤性可調(diào)等特點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的EDLC性能[Adv. Mater. 24(2012)347；27(2015)3541.]。最近，鑒于金屬基底上沉積的碳材料的電導(dǎo)率通常優(yōu)于氧化物基底上沉積的碳材料這一現(xiàn)象，他們將原位氧化鎂模板法拓展為原位多孔納米銅模板法，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為固態(tài)碳源，得到了一種新型的多孔三維寡層類石墨烯材料（3DG），具有微孔-介孔-大孔相互連通的開放性孔結(jié)構(gòu)，比表面積大（>1500 m2 g−1），導(dǎo)電性高（>800 S m−1），在水系和離子液體中均有良好浸潤性。這種3DG材料在水系和離子液體電解液EDLC中的功率密度分別高達(dá)1066.2 和 740.8 kW kg−1，其能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性均處于EDLC的先進(jìn)水平，展示出在超高功率和高能量密度存儲領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。更令人感興趣的是，他們通過系統(tǒng)考察EDLC的等效串聯(lián)電阻（即計(jì)時(shí)電位曲線的IR壓降）隨電流密度的變化規(guī)律，從一個(gè)新的視角深入理解了EDLC材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，與經(jīng)典電化學(xué)交流阻抗譜的研究結(jié)果相互印證，互為補(bǔ)充，這為深入理解電化學(xué)能量存儲材料的構(gòu)效關(guān)系提供了新的思路。
該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部納米重大研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
圖1. 離子液體電解液中超級電容器基于活性物質(zhì)（3DG）質(zhì)量的Ragone圖。
圖2. 離子液體電解液中3DG基超級電容器驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器工作展示。
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