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石墨烯離子存儲機制取得新進展

2019-10-08

    電化學雙層電容器又稱超級電容器,通過電解液離子在高表面積電極表面的可逆吸脫附來儲能。由于不涉及氧化還原反應等電荷轉移動力學限制,超級電容器可以極高的充放電速率下運行,具有達百萬次的良好循環能力,使得它們廣泛應用于儲能領域。石墨烯理論上可具有550 F/g的比容量,作為超級電容器電極材料備受關注。然而目前石墨烯基材料的性能仍遠遠低于預期。一方面,石墨烯的量子電容已被證明在雙電層電容的建立中起著關鍵作用;另一方面,界面電化學是決定超級電容器儲能性能的關鍵因素,涉及到離子在電極孔道內的傳輸擴散、離子在碳表面的吸/脫附等過程。石墨烯-電解液界面動態電荷分離機制仍然未得到良好解決,阻礙了高性能二維或三維石墨烯電極的進一步發展。


石英微晶天平用于原位電化學檢測示意圖(左),觀測到的石墨烯表面離子響應(右)
近日,中國科學技術大學朱彥武課題組提出,低缺陷含量的單層石墨烯可為從理解極化作用下石墨烯界面離子吸附/相互作用提供了一個優良模版:既消除了孔道離子受限效應,又不受大多數多孔碳材料中孔隙或缺陷的影響(National Science Review, 2019; https://academic.oup.com/nsr/advance -article /doi/10.1093/nsr/ nwz140/5569389)。基于此,該課題組聯合法國Patrice Simon課題組,采用電化學阻抗譜和電化學石英晶體微量天平系統聯用,原位研究了離子液體(EMI-TFSI)電解質在單層石墨烯表面的動力學響應。研究發現,在石墨烯正極化區間,電荷儲存受帶正電的團簇類離子脫附主導;在負極化區間,石墨烯表面質量變化較小,顯示表面離子重排效應。隨著施加電勢的增加,兩種類型的界面響應主導著雙電層的變化,導致雙電層電容增加。該研究為進一步理解石墨烯-電解液界面結構以及石墨烯雙電層儲能提供了基礎。 研究成果以“Charge Storage Mechanisms of Single Layer Graphene in Ionic Liquid”為題發表在雜志《Journal of the American Chemical Society》。該研究工作得到了自然科學基金基金委、the Agence Nationale de la Recherche、國家留學基金(CSC)項目的支持。 附論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07134。
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