合肥研究院等研制出硫摻雜石墨烯基柔性全固態(tài)超級電容器

　　近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所博士王奇和南京師范大學(xué)教授韓敏課題組合作，在高性能雜原子摻雜石墨烯基納米結(jié)構(gòu)的規(guī)?；苽浼捌湓谌嵝匀虘B(tài)超級電容器應(yīng)用方面取得新進展。部分研究成果已在線發(fā)表于國際期刊Small上，并被選為該雜志的Inside Front Cover。

　　為滿足人們對柔性可穿戴電子產(chǎn)品日益增長的需求，迫切需要發(fā)展柔性全固態(tài)功率源或能量儲存裝置。要想實現(xiàn)這一目的，關(guān)鍵在于設(shè)計開發(fā)出兼具優(yōu)異儲能和機械性質(zhì)的電極材料。雜原子摻雜石墨烯以及2D層狀金屬硫化物(LMCs)納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為高性能電極材料的設(shè)計帶來了新的契機，但其儲能性能(能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性等)尚需進一步提高。能否將上述兩類材料有效“聯(lián)姻”或耦合，從而發(fā)展出高性能的電極材料，至今仍是材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題。

　　針對上述問題，王奇和韓敏課題組開展了合作研究，利用可控熱轉(zhuǎn)換油胺包裹的SnS2-SnS混相納米盤前驅(qū)物的策略，巧妙地將有機分子的碳化、摻雜、相轉(zhuǎn)換和自組裝等重要的物理化學(xué)過程集成于一體，首次成功實現(xiàn)了硫摻雜石墨烯(S-G)和SnS雜化納米片的原位合成與組裝，得到了新穎的3D多孔SnS/S-G 雜化納米建筑(HNAs，如圖1所示)。相比傳統(tǒng)合成策略，該方法具有簡單高效、重現(xiàn)性好、可規(guī)?；苽涞葍?yōu)點，為延伸和拓展摻雜石墨烯材料在清潔能源、光電和傳感等重要技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在三電極體系中以KOH溶液作為電解液，所得3D石墨烯復(fù)合材料質(zhì)量比電容高達642 F g-1 (電流密度為1 A g-1)，遠高于近來報道的石墨烯復(fù)合物和其他電活性材料(如體相和納米級的SnS及其復(fù)合物、G-Mn3O4納米棒、G-CoS2、2D CoS1.07/N- C納米雜化體等)。

　　隨后，進一步研制出了柔性全固態(tài)超級電容器器件ASSSCs（如圖2所示），展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲能性能：面積比電容高達2.98 mF cm-2、優(yōu)異的長程循環(huán)穩(wěn)定性（99% for 10000 cycles）、優(yōu)秀的柔性和機械穩(wěn)定性(可反復(fù)折疊或彎折1000次以上而性能不變)，優(yōu)于報道的石墨烯、2D SnSe2和SnSe以及3D GeSe2納米結(jié)構(gòu)基柔性ASSSCs。

　　這項工作提出了原位集成和組裝2D納米結(jié)構(gòu)單元來構(gòu)建3D多孔雜化納米建筑或骨架材料的新策略，且具備規(guī)模化制備的前景，為今后理性設(shè)計高性能的雜化電極材料，發(fā)展柔性功率源或能量儲存裝置鋪墊了道路。此外，通過優(yōu)化設(shè)計和組合，還有望延伸出其它類型的多功能3D多孔骨架材料，后續(xù)工作正在進行之中。

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院合肥研究院院長基金特別支持項目的資助。

圖1. 3D摻雜石墨烯基雜化納米材料制備示意圖及其結(jié)構(gòu)表征

圖2. 3D摻雜石墨烯基柔性全固態(tài)超級電容器的構(gòu)建及性能測試