近日,合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院從懷萍教授科研團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)等單位合作,成功制備出一種高強(qiáng)度、自支撐、超薄石墨烯薄膜,并成功將該薄膜組裝為全固態(tài)柔性超級電容器,為下一代柔性電子器件的研發(fā)開辟了新的路徑。其相關(guān)成果以《非共價鍵誘導(dǎo)石墨烯單層宏觀組裝構(gòu)筑石墨烯薄膜用于柔性全固態(tài)超級電容器》為題于4月12日發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)刊物《Cell》的綜合類化學(xué)期刊《Chem》上((Chem, 2018, 4, 896-910)。論文的共同第一作者是碩士研究生王郭飛和青年教師秦海利博士。
全固態(tài)柔性超級電容器可為可穿戴電子設(shè)備提供安全高效的電源,是新一代柔性電子器件的關(guān)鍵設(shè)備。石墨烯作為一種單原子層厚度的二維晶體,兼具優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能,是此類新型儲能器件的理想材料。然而,由于石墨烯納米片之間界面作用較弱,且缺少有效的組裝方法,研發(fā)具有超薄、透明、自支撐的石墨烯薄膜并用作全固態(tài)柔性超級電容器仍面臨巨大挑戰(zhàn)。
針對這一難題,科研團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)優(yōu)化組裝體微納結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)界面作用力相結(jié)合策略,采用宏觀尺度納米組裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)了這一新型等級結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料的制備。
該課題組通過單分子原子力顯微鏡測量手段,在11種不同有機(jī)分子中發(fā)現(xiàn)了與氧化石墨烯之間的作用力最強(qiáng)的分子——三聚氰胺。研究發(fā)現(xiàn),由于電荷轉(zhuǎn)移與氫鍵的協(xié)同作用,三聚氰胺分子與氧化石墨烯納米片之間的非共價作用力達(dá)到約1納牛,達(dá)到了共價鍵的力程。通過在氧化石墨烯納米片層間引入三聚氰胺分子,相鄰兩層納米片之間的有效接觸大幅增加,使薄膜內(nèi)部氧化石墨烯片層間的相互作用顯著增強(qiáng),從而制備出具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度的氧化石墨烯薄膜。
圖1.(上)基于石墨烯和三聚氰胺相互作用構(gòu)筑透明超薄石墨烯薄膜;(下)基于單分子原子力顯微鏡研究不同有機(jī)分子與氧化石墨烯之間作用力。
據(jù)介紹,該薄膜僅由兩層氧化石墨烯單層膜組成,厚度僅為22納米,無需輔助材料即可實(shí)現(xiàn)自支撐,并可通過增減單層膜層數(shù)實(shí)現(xiàn)厚度和性能的可控調(diào)節(jié)。同時,該薄膜橫向尺寸達(dá)厘米級,具備可裁剪性和優(yōu)異的拉伸性,且對強(qiáng)酸強(qiáng)堿高度兼容。
圖2. 基于30納米厚石墨烯薄膜構(gòu)筑全固態(tài)柔性超級電容器的研究
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該新型薄膜在可見光550納米處透光率高達(dá)84.6%,經(jīng)過原位還原后仍然保持優(yōu)異的機(jī)械性能及光學(xué)性能。石墨烯薄膜電阻僅有420方阻。由該薄膜組裝而成的全固態(tài)柔性超級電容器具有較高的體積電容值、良好的電機(jī)械穩(wěn)定性,展現(xiàn)了優(yōu)異的超級電容器性能。在循環(huán)充放電7500圈后,該薄膜電容值保留高達(dá)91.4%。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30030-5
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