中國粉體網(wǎng)訊  近日，吉林化工學(xué)院江麗麗副教授團(tuán)隊(duì)在《Carbon》期刊發(fā)表名為“Functionalized Graphene Microspheres for High Volumetric Energy Density Supercapacitors”的論文，通過臭氧氧化、過氧化氫蝕刻、碳納米管摻入、噴霧干燥以及對具有豐富邊緣位點(diǎn)的氧化石墨烯帶（IGOR）進(jìn)行碳化等工藝合成了功能化石墨烯微球（FGR）。

什么是功能化石墨烯微球？

功能化石墨烯微球是一種通過化學(xué)修飾或物理復(fù)合手段賦予特定性能的三維結(jié)構(gòu)材料。其結(jié)構(gòu)由多層石墨烯片通過π-π相互作用、范德華力或化學(xué)合鍵自形成組裝球狀體，內(nèi)部常呈現(xiàn)多孔網(wǎng)絡(luò)，比表面積可達(dá)2600m/g2，具備高比表面積、優(yōu)異導(dǎo)電性、良好機(jī)械性能以及可功能化修飾等特性。

高比表面積利于吸附、催化等反應(yīng)，優(yōu)異導(dǎo)電性在電子和能源領(lǐng)域有優(yōu)勢，良好機(jī)械性能使其能承受一定外界壓力和變形，功能化過程通過引入羥基、羧基等官能團(tuán)或復(fù)合金屬氧化物等成分，使其增強(qiáng)具備的化學(xué)活性、選擇性吸附能力和性能催化。

論文導(dǎo)讀

微型超級電容器由于其快速的充放電速率和長期的循環(huán)穩(wěn)定性，受到了可穿戴電子設(shè)備和電動汽車廣泛需求的熱烈關(guān)注。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)具有高堆積密度和出色體積比電容的電極材料至關(guān)重要。石墨烯因其高比表面積、出色的導(dǎo)電性和高理論比電容，一直被視為超級電容器電極材料的有力候選者。然而，在制備和電化學(xué)循環(huán)過程中，石墨烯容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致其表面利用率降低。為解決這些問題，研究人員采取了諸如在石墨烯納米片層之間插入“間隔物”或采用多孔、褶皺和帶狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等策略，有效減少了石墨烯納米片的聚集。這些方法有助于形成離子擴(kuò)散通道，從而實(shí)現(xiàn)快速的離子和電子傳輸。

功能化石墨烯微球制備過程：氧化石墨烯帶(IGOR)是使用“噴霧-快速冷凍”技術(shù)獲得的。隨后，將H₂O₂(7.5ml)和HNO₃(300μl)加入到300毫升IGOR(0.5mg/ml)中，然后進(jìn)行30分鐘的超聲處理。然后將混合物進(jìn)行臭氧鼓泡0.5小時(shí)，并浸入100℃的水中4小時(shí)。冷卻至室溫后，摻入4.5mg碳納米管(CNT)得到懸浮液，通過混合物理或化學(xué)鍵合將碳納米管（CNTs）氧化與石墨烯復(fù)合，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。再將含CNTs的氧化石墨烯懸浮液通過霧化器形成微小液滴，在高溫氣流中干燥，快速形成球形多孔微結(jié)構(gòu)球；最終在惰性氣氛（如N₂或Ar）中進(jìn)行高溫（600~1000℃）碳化處理，去除殘留含氧基團(tuán)，恢復(fù)石墨烯的導(dǎo)電性，同時(shí)保留邊緣位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)缺陷。

功能化的石墨烯微球(FGR)是通過以上一系列具有豐富邊緣位點(diǎn)的石墨烯氧化物帶(IGOR)的功能化過程制備的。通過引入相當(dāng)數(shù)量的含氧基團(tuán)、微調(diào)分級孔結(jié)構(gòu)、構(gòu)建高效的內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)施致密化過程，成功獲得了高體積性能的石墨烯微球。

圖1.FGR、GR和GS樣品制備過程的示意圖

圖2. （a）FGR、GR、GS、RGO粉末的堆積密度和光學(xué)照片。（b、c）FGR的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和（d、g）透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（e、f）GR的掃描電子顯微鏡圖像和（h、i）GS的掃描電子顯微鏡圖像。

圖3. (a) FGR、GS和RGO的拉曼光譜。(b) FGR、GR、GS和RGO的FTIR光譜。(c) XPS光譜和(d) FGR和GS的氧原子百分?jǐn)?shù)。

結(jié)論

本研究通過臭氧氧化、H₂O₂蝕刻、碳納米管導(dǎo)電劑混合、噴霧干燥和碳化等一系列氧化石墨烯功能化工藝，成功制備了具有高體積性能的功能化石墨烯微球。

所得的FGR提供了眾多活性位點(diǎn)、高效的電子和離子傳輸通道、穩(wěn)定的含氧官能團(tuán)以及緊湊的結(jié)構(gòu)。這些特性使FGR能夠?qū)崿F(xiàn)高體積電容和出色的倍率性能，高負(fù)載量和堆積密度。由FGR組裝的對稱超級電容器（FGR//FGR）在120.9W/L時(shí)可提供30.2Wh/L的高體積能量密度。這些特性使得基于功能化石墨烯微球（FGR）的超級電容器在工業(yè)應(yīng)用中具有高度相關(guān)性，包括便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車和電網(wǎng)能源系統(tǒng)。可擴(kuò)展的合成方法和穩(wěn)健的設(shè)計(jì)進(jìn)一步突顯了其在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的潛力。

參考來源：

Carbon、材料分析與應(yīng)用

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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