ACS Nano：一步法制備具有高能量密度的黑磷烯平面超級電容器

【引言】

為了滿足可穿戴和便攜式電子產品不斷增長的需求，微型儲能裝置由于重量輕，薄型化，并且具有出色的靈活性，低成本的可擴展性和高能量密度而引起了人們的高度關注。合理設計石墨烯及其他二維納米片的微結構，構筑高能量密度微超級電容器（MSCs）簡化制造方法對于靈活和集成的電子元件具有重要價值。

【成果簡介】

近日，來自中科院大連化學物理研究所的吳忠帥研究員和沈陽金屬研究所的任文才研究員（共同通訊）等人基于堆疊高品質磷烯納米片和電化學剝離的石墨烯的混合交叉指型平面電容器（PG-MSCs），開發了簡便的一步掩模板輔助過濾法獲得高質量高能MSCs（PG-MSCs）制造方法。在交叉指型掩模板的輔助下，通過逐層沉積黑磷烯和石墨烯納米片，并直接轉移到柔性基底上即可得到器件。所得到的電極薄膜具有突出的均勻性，柔韌性，導電性（319Scm^-1），其可以直接用作MSCs的柔性電極而無需粘合劑等添加。值得注意的是，PG-MSCs在離子液體電解液中具有3V的工作電壓以及11.6 mWh cm-3的能量密度，超過大多數基于納米碳材料的MSCs。該研究成果以“One-Step Device Fabrication of Phosphorene and Graphene Interdigital Micro-Supercapacitors with High Energy Density”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1?掩模板輔助法簡單制備PG-MSCs

（a-e）PG-MSCs的制造示意圖：（a）石墨烯和黑磷烯的合成; （b）在交叉掩模板輔助下，依次逐步過濾石墨烯和黑磷烯; （c）將PG膜干燥轉移到PET基底上; （d）剝離PTFE膜，滴加電解液和器件封裝; （e）串聯連接的MSCs集成演示

（f）9個串聯的PG-MSCs的圖片

（g）在高折疊狀態下PG-MSCs集成化的靈活性和穩定性演示

圖2?黑磷烯和PG膜的表征

（a-c）a）黑磷烯的TEM和（b，c）HRTEM圖像

（d，e）（d） 黑磷烯納米片的AFM圖像和（e）厚度較為均勻

（f）黑磷烯的XPS光譜

（g）PG膜的橫截面SEM圖像（左）和C，P元素的相應EDX映射，取自方形區域

（h）PG膜，石墨烯和黑磷烯的拉曼光譜

圖3?PG-MSCs和G-MSCs的電化學表征

（a，b）以（a）5-50mV s^-1和（b）100-1000mV s^-1的不同掃描速率獲得的PG-MSCs的CV曲線

（c，d）（c）不同掃描速率下PG-MSC和G-MSC的面比電容和（d）體積比電容

（e）電流密度為0.3A·cm^?-3的PG-MSCs和G-MSCs的GCD曲線

（f）PG-MSCs和G-MSCs的復平面圖

圖4?PG-MSCs和PG-SSCs的靈活性比較

（a）不同彎曲狀態下PG-MSCs的圖片

（b）在100mV s^-1下測量的相應CV曲線

（c）PG-SSCs在不同彎曲狀態下的圖片

（d）在100mV s^-1下測試的相應CV曲線

圖5?PG-MSCs的電化學性能

（a）PG-MSCs和G-MSCS的Ragone圖

（b）在平坦和彎曲狀態下，以0.44Acm^-3獲得的PG-MSCs循環2000次的循環穩定性

（c）在單個和三個連續PG-MSCs的100mV s^-1處獲得的CV曲線

（d）用于為發光二極管（LED）供電的三個連續PG-MSCs的照片

【總結】

本文展示了基于高品質黑磷烯和石墨烯的掩模輔助下高能PG-MSCs的簡化制造。為簡化MSCs構建而提出的策略很容易擴展到石墨烯和類似的納米片，用于靈活，安全和平面的高性能儲能裝置。

文獻鏈接：One-Step Device Fabrication of Phosphorene and Graphene Interdigital Micro-Supercapacitors with High Energy Density（ACS Nano,2017,

DOI:10.1021/acsnano.7b03288）

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