西安交通大學楊卷與大連理工大學邱介山合作制備出系列二維石墨烯復合材料

西安交通大學楊卷與大連理工大學邱介山合作制備出系列二維石墨烯復合材料

隨著電子產品以及電動汽車的快速發展，高性能儲能系統的研發在世界范圍內備受關注。超級電容器作為儲能系統的重要分支，憑借其快速的電荷存儲釋放能力（高功率密度）、長時間循環壽命等優點吸引了越來越多研究者的興趣。特別是，基于表面電化學反應的超級電容器，可以同時保持高功率密度和能量密度，展現出廣闊的應用潛力。然而，這類電容器電極材料內部緩慢的電子/離子傳輸速率嚴重阻礙了電化學反應的進行，導致超級電容器的存儲/釋放效率低于預期。因此，改善電極材料的反應動力學是提升超級電容器電化學性能的關鍵策略之一。



針對上述問題，西安交通大學青年教師楊卷與大連理工大學邱介山教授合作，在前期利用導電高分子-聚苯胺（PANI）和氧化石墨烯作為結構導向劑實現鎳鈷氧化物/氫氧化物可控生長，構筑高性能石墨烯復合材料的研究基礎上（Chem.Mater.，2016，28，5855;Adv.Funct.Mater.，2018，28，1803272;Chem.Eur.J.，2019，25，5527），近日，該團隊通過聚乙烯亞胺高分子（PEI）調控和誘導生長的普適性設計構筑策略，制備了系列二維石墨烯復合材料（G-P-X，X代表CoS，NiCoS，FeOOH等）。研究結果表明，PEI高分子中的含氮基團作為橋連位點，可有效提升石墨烯和電化學活性物種之間的耦合作用，同時，獨特的二維復合結構可進一步加強電子/離子的遷移速率。



將所制備的石墨烯復合材料作為超級電容器的電極材料，在1 A g?1的電流密度下，其比電容最高可達815 F g?1，遠高于其他對比樣品。且經過20000次長周期充放電循環測試，其電容保持率高達86.5%，展現出優異的循環穩定性。為進一步拓展該電極材料的實際應用，隨后將其與活性炭結合構筑的不對稱電容器，在700 W kg?1的高功率密度下，其能量密度高達44.6 Wh kg?1，呈現廣闊應用潛力，這項研究工作亦為其他新型電極材料的設計和實用化提供了新思路。

圖1(a)二維石墨烯復合材料(G-P-CoS)的制備過程示意圖以及(b)復合材料微觀結構(c)電化學性能表征



上述相關研究成果近期以“Polyethyleneimine-Mediated Fabrication of Two-Dimensional Cobalt Sulfide/Graphene Hybrid Nanosheets for High-Performance Supercapacitors”為題發表ACS Applied Materials&Interfaces(ACS Appl.Mater.Interfaces，2019，DOI:10.1021/acsami.9b03934，IF:8.456)上。博士生王滿為論文的第一作者，青年教師楊卷和邱介山教授為共同通訊作者，該項工作得到了國家自然科學基金、中國博士后基金以及科技部重點研發項目等資金的支持。

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