東華大學Nano Energy：手寫的超級電容器

【引言】

毛筆（Chinese brush）是源于中國的傳統書寫工具。幾千年以來，毛筆作為重要的書法、繪畫工具，已為促進中華民族與世界的文化交流做出了卓越的貢獻。近年來，科學家逐漸關注并發現毛筆具有獨特的拓撲錐形結構與各向異性等特性，能夠實現液體的可控高效轉移與印刷。

【成果簡介】

近日，東華大學王宏志教授、李耀剛教授和加州大學洛杉磯分校Richard B.Kaner教授（共同通訊）在Nano Energy上發表“Calligraphy-inspired brush written foldable supercapacitors”的文章。從毛筆中汲取靈感，創新性地利用毛筆對氧化石墨烯溶液進行有效轉移與可控組裝。毛筆尖的拓撲錐形存儲空間有利于氧化石墨烯溶液的高效穩定轉移；其柔軟的筆觸能夠滿足在粗糙及褶皺基底上大面積均勻組裝氧化石墨烯納米片的需求。該方法突破了傳統二維納米材料薄膜制備方法的局限性，實現了在彎曲狀、折疊狀及織物等多種基底上，連續化、大面積地制備氧化石墨烯薄膜。進一步結合非接觸光照還原技術，得到了多種形態與圖案化的還原氧化石墨烯薄膜，其能夠應用于能量存儲。制備的可折疊多組串并聯全固態超級電容器電壓視窗可達2.4V，面積比電容達到258.6 mF/cm^2。

圖 1 典型的錐形毛細管行為，一套兩個平行的刷毛和GO油墨加載過程

（a，b）中國刷子的兩個單一平行刷毛與人造GO油墨儲存器供應液體的滴下過程的光學顯微鏡圖像；

（c）浸漬寫筆刷用GO墨水填充的光學顯微鏡圖像和示意圖；

（d）單刷頭發的光學顯微鏡圖像；

（e）涂覆在原始刷毛上的GO片的取向布置的示意圖；

（f-i）和頂部部分II（j-m）的不同放大倍率下的SEM圖像。

圖2 直接寫rGO的插圖和表征

（a，b）使用中文刷的rGO薄膜制作工藝的示意圖；

（c）減少GO膜的橫截面FE-SEM圖像；

（d）GO膜和照射rGO膜的XPS光譜；

（e）GO膜和f）照明rGO膜的高分辨率C1s光譜。

圖3 可編程連續寫入系統和可折疊或波浪形基板上的書面膠片

（a，b）自動直接寫入裝置直接圖案化rGO膜的數字照片，其中使用具有可編程的兩軸（x-y）級的裝置來控制運動；

（c，d）刷子寫入過程的工作原理，在具有受控壓力和襯底溫度的襯底上形成石墨烯膜；

（e-g）直接由中國刷子在平面，折疊和波浪底基底上的數字照片和相應的rGO膜示意圖。

圖4 制作的rGO薄膜的電化學性能

（a）在10至1000mV s-1的不同掃描速率下，照射的rGO膜（面積= 1.5cm²）的代表性CV曲線；

（b）在不同電流密度下測量的GCD曲線形成0.05-2mA cm ^-2；

（ c）在1000次循環中的最后11次的充放電1000次循環的電容保持。

圖5 ?基于rGO薄膜直接寫入的全固態超級電容器的電化學性能

（a，b）基于具有2.25cm ²有效面積的兩片照明rGO膜的制造的全固態超級電容器的數字照片；

（c）在1000至20,000mV s^-1的不同高掃描速率下的CV曲線；

（d）在不同電流密度下測量的GCD曲線形成0.5-10mA cm^-2的照射rGO膜；

（e）正常和180°彎曲全固態超級電容器的CV曲線。

圖6 制造可折疊超級電容器的制造工藝的示意圖

（a）rGO膜可以直接寫在折疊的基板上；

（b）通過照明處理進一步減少；

（c）然后使用中國刷子將凝膠電解質PVA-H 2 SO 4直接寫入rGO膜上，沿著邊緣施加銅帶以改善電接觸，并且由聚酰亞胺（Kapton）帶限定的叉指區域；

（d）具有三個超級電容器單元的復合超級電容器在折疊襯底上的橫截面圖；

（e-g）和（h-j）并聯連接和的三個折疊超級電容器的原理圖電路圖，CV曲線和GCD曲線。

【結論】

該研究團隊報告了可控制和可擴展的石墨烯薄膜制造方法。 在中國傳統的刷子的幫助下，GO油墨可以圖案化到各種基材上，然后進行照明減少。 獲得的獨立和折疊的rGO膜用作全固態超級電容器中的電極，其表現出有希望的性能。 基于該靈活的制造方法，可以通過刷寫直接制造具有以串聯或并聯連接的三個器件的可折疊全固態超級電容器。 獲得的超級電容器具有高能量存儲容量和彎曲穩定性。 該系統的工作有助于闡明石墨烯油墨轉移，石墨烯薄膜制造和柔性電子設備的創建。

文章的第一作者為博士生李佳慧與邵元龍。李佳慧同學2013年考取東華大學材料學院研究生，將于近期赴耶魯大學能源科學研究所聯合培養。邵元龍博士2016年畢業于東華大學，目前在劍橋大學石墨烯研究院從事柔性超級電容、原位固態NMR、鋰空氣電池等方面的研究。課題組主頁點此查看。

【王宏志教授簡介】

王宏志，工學博士，現任東華大學材料科學與工程學院副院長，纖維改性國家重點實驗室纖維改性國家重點實驗室教授，博士生導師，先進功能材料課題組組長。中國材料研究學會青年理事會常務理事，中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會理事，國家眼鏡玻璃搪瓷制品質量監督檢驗中心技術委員會委員，上海稀土學會理事，《Scientific Reports》編委會成員(2015)。上海市高校特聘教授(東方學者)跟蹤計劃、教育部新世紀優秀人才支持計劃、上海市曙光學者、浦江人才計劃獲得者。1998年在上海硅酸鹽研究所獲得博士學位后，于2000年前往日本產學技術綜合研究所工作5年，并于2005年歸國進入東華大學工作。多年來針對多種無機光電功能材料，深入開展了無機材料的組分設計、微觀結構控制、宏觀形態組裝以及光電性能調控的研究，在纖維的智能顯色與變色、基于微流控快速生物檢測器件、LED用熒光纖維膜/玻璃、石墨烯基柔性超級電容器/傳感器等方面開展了一系列創新性的工作，推動了相關領域的學術發展。目前，以通訊作者身份在Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Science Advances，Advanced Functional Materials, Nano Energy, Small，NPG Asia Materials等期刊發表SCI收錄論文近200篇，申請中國發明專利60項，其中授權39項，擔任承擔國家級、省部級科研項目10余項，指導博士生研究生21人，指導碩士生29人。

文獻鏈接：Calligraphy-inspired brush written foldable supercapacitors（Nano Energy, 2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.06.013）

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