胡良兵教授Acc. Chem. Res.：多孔石墨烯，引領電化學儲能的新風尚！

【導讀】

多孔石墨烯(hG)是石墨烯的一種結構衍生物。在大多數體相制備方法中，hG片上的孔優先由石墨烯上已有的缺陷產生。因此，hG并不一定比完整的石墨烯更有缺陷。一方面，它保留了石墨烯基本的性質，包括高導電性、高表面積、機械魯棒性和化學惰性；另一方面，其孔洞結構賦予了hG在未修飾石墨烯中所不具有的獨特特性，使其在許多應用中具有優勢，如傳感、膜和電化學儲能等。特別是，孔洞的存在增強了納米片平面的質量傳輸，從而顯著降低了彎曲度。這一差異是在儲能應用中使用hG的一個關鍵優勢，當電極厚度增加以滿足實際能量密度要求時，離子通過厚度的傳輸變得更加阻礙。

一個意想不到的發現是，hG上的孔可以使干hG粉可以直接被壓縮成堅固的整體。hG不僅本身被壓成一個整體，而且可以作為可壓縮基質容納其他電化學活性材料。這一重要而獨特的特性，是包括完整石墨烯在內的其他碳材料所不具備的，極大地拓寬了儲能應用領域。利用干壓縮性，可以方便地制備具有超高質量負載和超高面積容量的電極，而不需要傳統的漿料基電極制備方法中所涉及的有毒溶劑或粘合劑。干壓電極制備過程可以在幾分鐘內完成，不受質量負載的限制。相比之下，用于先進電池化學材料的高質量負載電極通常需要嚴格和耗時的過程控制。hG還可以與電化學活性電池材料結合，同時保持干壓縮性。這使得對各種厚電極組成和結構的操作變得前所未有的方便，這不僅提供了卓越的性能，而且還為各種電池化學提供了新的物理見解。

【成果掠影】

近日，馬里蘭大學胡良兵教授和NASA蘭利研究中心Yi Lin等人發表了評述性論文，首次提出了hG干壓縮性的一些基本觀察，以及從原子建模的機理研究合理化這一獨特的性質。然后，作者展示了復合干壓hG電極在各種儲能平臺的應用，包括超級電容器、鋰(Li)離子電池、Li-O₂電池和Li-S/Se電池。作者強調和討論了實際的質量負載和獨特的電極結構的厚電極的制備和性能，都是由hG的干壓縮性實現的。

相關研究文章以“Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene”為題發表在Accounts of Chemical Research上。

【核心創新點】

本文對hG的干壓縮性進行了詳細地分析與研究以期在電化學儲能當中發揮hG的更大優勢。

【數據概覽】

圖一、示意圖:多孔石墨烯是石墨烯的一種結構衍生物，它增強了穿過平面的質量傳輸，從而減少了穿過堆疊的納米片的彎曲度。綠點指的是傳輸質量，如離子或分子? 2022 ACS Publications

圖二、多孔石墨烯（hG）的干壓縮性? 2022 ACS Publications

圖三、hG使干壓電極制造成為可能? 2022 ACS Publications

圖四、用于超級電容器的干壓hG電極? 2022 ACS Publications

圖五、鋰離子電池用干壓復合電極? 2022 ACS Publications

圖六、鋰氧電池的干壓復合空氣正極? 2022 ACS Publications

圖七、Li-S/Se電池干壓式復合正極材料? 2022 ACS Publications

05【成果啟示】

隨著可擴展的制備技術的可用，hG可能是用于未來的高能量密度電池電極的最有前途的候選碳材料之一，在制備和性能方面都具有優勢。以下列舉了一些需要進一步研究的挑戰:

（1）hG的制備應進一步改進，并針對個別應用量身定制。因為在不同的氧化條件下，可以用不同的石墨烯材料制備hG，其性質如含氧量、孔洞大小、原始石墨烯缺陷密度和表面積等可能會有所不同，并在每種應用中發揮重要作用。后續的修飾，如無機或有機官能化和雜原子摻雜，對特定功能可能是至關重要的。

（2）hG的空穴邊緣化學仍有待完全了解。盡管hG在化學性質上與完整的石墨烯有相似之處，但孔邊緣的化學還沒有被充分利用。孔邊碳化學的調控不僅對石墨烯表面性能有重要影響，而且對儲能應用的孔傳輸性能也有重要影響。已經有關于hG孔邊緣修飾影響催化和離子傳輸性能的報道。

（3）干壓hG架構需要更多的基本理解和改進。例如，干壓hG盤堅固但沒有柔性。在結構或制造過程中進行適當的改進，它們是否能夠得到改進并應用到柔性器件上還有待觀察。干壓的hG基電極在使用溶劑或液體電解質時也會膨脹。盡管它們保持了良好的電化學活性，表現出高的面積容量，并對重復循環保持機械穩健性，但膨脹可能會在擴大電池制造時構成挑戰。

（4）干壓hG的應用還有待進一步探索。hG已被用于催化、傳感、吸附劑、膜和復合材料等應用，在這些應用中，干壓hG可能呈現出獨特的微環境。在儲能領域，除了本文所討論的，還有其他幾個重要的領域，如鋰金屬負極和固態電極的應用。對于前者，完整的石墨烯已被證明是鋰金屬的優良輕質宿主，以減少枝晶形成，從而提高可循環性。干壓hG可以改進這種鋰金屬宿主電極的制備。對于后者，由于許多固態正極盤已經通過干壓縮制備，可以合理地預測，使用hG可以進一步促進制備，并通過增強各種成分之間的界面接觸提高性能。

原文詳情：Yi Lin*,?Christian O. Plaza-Rivera,?Liangbing Hu*,?and?John W. Connell. Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene. Acc. Chem. Res. (2022). https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00457