哈爾濱工程大學Adv. Funct. Mater.: “水稻田”與石墨烯：兼具超高比容量及倍率性能超級電容器電極材料的結構設計與可控制備

【引言】

由于石墨烯具有高導電性和理論比容量（550 F g^-1），其作為超級電容器電極材料受到了極大的關注。然而，傳統方法合成的還原氧化石墨烯（RGO）表面含有大量的含氧官能團。在儲能應用中，RGO表面的含氧官能團能提供額外的贗電容，但同時也顯著降低材料的導電性。因此，在提高RGO導電性的同時，合理調控RGO表面含氧官能團的種類和分布，使二者達到平衡，從而充分發揮贗電容性能顯得尤為重要。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工程大學的范壯軍（通訊作者）團隊合成了一種 “水稻田”結構的功能化石墨烯材料。通過低溫長時間熱處理氧化石墨烯，調控含氧官能團表面遷移速率，控制sp²碳共軛導電網絡的形成，制備了 “水稻田”結構石墨烯。采用sp²碳構建“溝渠”，以具有贗電容存儲功能的sp³碳含氧官能團為水稻，使sp³碳含氧官能團孤島均勻分布在連續完整的sp²共軛導電網絡中，保證電極材料高導電性的同時，極大地提高了石墨烯表面含氧官能團贗電容貢獻率。因此，該材料表現出超高容量（436 F g^?1 at 0.5 A g^?1）、高倍率性能（261 F g^?1 at 50 A g^?1），以及優異的循環穩定性（在100 mv s^-1下循環10000次幾乎沒有容量損失）。相關研究成果“Oxygen Clusters Distributed in Graphene with “Paddy Land” Structure: Ultrahigh Capacitance and Rate Performance for Supercapacitors”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯“水稻田”結構的形成示意圖和電鏡表征

（a-c）石墨烯“水稻田”結構形成示意圖

（d）“水稻田”石墨烯的SEM圖像

（e-f）“水稻田”石墨烯的TEM圖像

圖2 溫度和時間調控氧化石墨烯的XRD和XPS表征

（a）GO隨溫度和時間調控的XRD變化圖

（b）GO隨溫度和時間調控的XPS變化圖

圖3 GO表面含氧官能團隨時間和溫度的衍變規律

（a）GO總含氧量隨時間和溫度的變化

（b）GO表面含氧官能團種類和含量隨時間和溫度的變化

（c）sp²C和C-OH+COOH隨時間和溫度的變化

（d）石墨烯“水稻田”結構形成示意圖

圖4 “水稻田”石墨烯的結構表征

（a）“水稻田”石墨烯的TEM圖像

（b）“水稻田”石墨烯的EELS曲線

（c）160 oC下，氧化石墨烯的Raman曲線隨熱處理時間的變化

（d）160 oC下，石墨烯sp²團簇直徑隨熱處理時間的變化

圖5 “水稻田”石墨烯電極（GO-160-8D）的電化學性能

（a）掃速為100 mV s^-1時，GO-80-8D, GO-120-8D和GO-160-8D電極的循環伏安曲線

（b）GO-80-8D, GO-120-8D和GO-160-8D電極的倍率性能曲線

（c）不同掃描速率下GO-160-8D電極的循環伏安曲線

（d）GO-160-8D電極在不同電流密度下的恒流充放電曲線

（e）GO-160-8D電極與文獻報道各種還原氧化石墨烯電極的倍率性能對比

圖6 “水稻田”石墨烯電極（GO-160-8D）的性能表征

（a）電極比容量和C-OH+COOH含量的關系

（b）不同負載量的GO-160-8D和商業活性炭（YP-50）電極的倍率性能

（c）GO-160-8D和不同溫度還原氧化石墨烯電極材料的比容量對比

（d）GO-160-8D的電化學壽命測試

圖7 理論計算及提出的結構

（a）不同溫度處理的RGO結構俯視圖

（b）不同溫度處理的RGO前線軌道分布圖

（c）不同溫度處理的RGO電荷分布圖

【小結】

本文成功開發了一種“水稻田”結構的石墨烯 (GO-160-8D)，其表面含氧官能團的種類、含量以及分布可以通過熱處理時間和溫度進行選擇性調控。最終，通過160 oC處理氧化石墨烯8天，使GO表面保留了大量以團簇（sp³C）形式分布在共軛導電網絡（sp²C）中的C-OH和O=C-OH官能團，在保證電極材料高導電性的同時，極大的提高石墨烯表面含氧官能團贗電容的貢獻率，使“水稻田”石墨烯電極材料表現出了高比容量，高倍率和優異的循環穩定性。因此，利用低溫長時間熱處理工藝合成的“水稻田”石墨烯可進一步應用到燃料電池和金屬離子電池等領域。

文獻鏈接：Oxygen Clusters Distributed in Graphene with “Paddy Land” Structure: Ultrahigh Capacitance and Rate Performance for Supercapacitors (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201705258)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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