中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石墨烯氣凝膠,經(jīng)由石墨烯片層三維搭接、組裝而來的石墨烯宏觀體材料,具有三維連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出高比表面積、高孔隙率、優(yōu)異導(dǎo)電性能及電化學(xué)行為,在能源存儲(chǔ)、傳感、吸附、復(fù)合材料等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。然而,目前常規(guī)石墨烯氣凝膠的三維組裝以石墨烯片層間的“面-面”局部搭接方式為主,進(jìn)而形成具有三維無規(guī)連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)。石墨烯片層間的這種“面-面”堆垛-搭接方式,是一種無規(guī)、隨機(jī)組裝,往往會(huì)使得部分石墨烯片層形成類石墨結(jié)構(gòu),造成石墨烯本征性能(如比表面積、力學(xué)、電學(xué)等)損失。此外,傳統(tǒng)石墨烯氣凝膠所具有的這種無規(guī)三維多孔網(wǎng)絡(luò)還引入高界面電阻及曲折離子通道問題,對(duì)電化學(xué)行為中的電荷-離子傳輸及有效電化學(xué)活性面積維持帶來負(fù)面影響,成為制約石墨烯材料在電化學(xué)能源器件中應(yīng)用的瓶頸。因此,如何設(shè)計(jì)新的石墨烯組裝策略,制備高性能石墨烯氣凝膠材料,仍是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
針對(duì)石墨烯氣凝膠目前存在的問題,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)通過“局部氧化刻蝕”在氧化石墨烯片層上進(jìn)行造孔,獲得孔洞氧化石墨烯,隨后將孔洞氧化石墨烯與還原劑分散液高度濃縮,實(shí)現(xiàn)其液晶化,進(jìn)一步經(jīng)原位溶膠凝膠及超臨界干燥獲得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠,如圖1所示。所得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠由孔洞石墨烯片層經(jīng)有序排列而成,表現(xiàn)出規(guī)整的三維多孔網(wǎng)絡(luò)(規(guī)整的孔道/孔壁及孔壁上的大量微孔)、低密度(42-55 mg cm-3)、高導(dǎo)電性(~165 S m-1)、高比表面積(537~837 m2 g-1)等諸多優(yōu)點(diǎn)。最后將該氣凝膠作為電極材料,輔以共晶混合物“水-甲酰胺”作為低溫電解液,構(gòu)建出可在溫度低至零下40 °C的環(huán)境中正常工作的柱狀低溫?zé)犭娀瘜W(xué)池,表現(xiàn)出低離子傳輸阻力(15.7 Ω)及高輸出功率(3.6 W m-2)。當(dāng)15個(gè)熱電化學(xué)池進(jìn)行串聯(lián)組裝成器件時(shí),可實(shí)現(xiàn)~2.1 V電壓的穩(wěn)定輸出,在低溫能源器件應(yīng)用中表現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。
相關(guān)成果以“High-Efficiency Cryo-Thermocells Assembled with Anisotropic Holey Graphene Aerogel Electrodes and a Eutectic Redox Electrolyte”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials,2019,1901403)上。博士生李廣勇、碩士董大鵬及澳門大學(xué)洪果教授為論文共同第一作者,張學(xué)同研究員與英國(guó)UCL的宋文輝教授為論文共同通訊作者,合作者還包括中國(guó)科技大學(xué)的閆立峰教授。論文工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金等資助。
圖 1 各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠基本表征:氧化石墨烯片層的透射電鏡照片(a1)及氧化石墨烯液晶的偏光顯微鏡照片(b1),孔洞氧化石墨烯片層的透射電鏡照片(a2)及氧化石墨烯液晶的偏光顯微鏡照片(b2),氧化石墨烯及孔洞氧化石墨烯片層的拉曼光譜(c),各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠的光學(xué)照片(d)、掃描電鏡照片(e,f)、力學(xué)(g)、電學(xué)(h)及比表面積數(shù)據(jù)(i)。
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安)
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