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浙大高超教授課題組本科生論文:高負載量的超穩定石墨烯-聚苯胺超級電容器電極材料
發布:blast_k   時間:2019/5/27 12:08:23   閱讀:190 
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石墨烯-聚苯胺復合材料因其較高的比容量被認為是一種優異的超級電容器電極材料,但循環時聚苯胺通常有嚴重的粉化效應,導致其穩定性較差,尤其在高負載量下電化學性能容易大幅下降,難以獲得更為廣泛的應用。

近日,浙江大學高分子科學與工程學系高超教授課題組提出了一種可規?;票父叨瓤扇笫氖?聚苯胺電極,該電極顯示出優異的循環穩定性。進一步的研究結果表明,電極的優異性能幾乎不受負載量影響,這種電極具有較大的實際應用潛力。相關表征表明,這種電極材料的卓越性能主要歸功于通過濕紡技術組裝的氮摻雜石墨烯薄膜前驅體。利用氮摻雜石墨烯前驅體,能有效提高電極材料與電解液的浸潤性,為離子快速穿透電極材料提供助力,并且可以有效限制聚苯胺在充放電過程中的體積變化,降低聚苯胺的粉化效應。這項工作對于制備實用型高負載量石墨烯基超級電容器電極提供了有益借鑒。

研究團隊基于由濕法紡膜-水熱還原制備的高度取向、高度褶皺、高度摻雜(“三高”)的石墨烯膜(NGF)的前期工作(Tri-high designed graphene electrodes for long cycle-life supercapacitors with high mass loading.Energy Storage Materials, 2019, 17: 349-357.),以石墨烯層間限域原位生長聚苯胺,來獲得氮雜石墨烯-聚苯胺膜(PNGF)(圖一)。摻雜的氮原子與層間原位生長的聚苯胺大大提高了該材料的浸潤性,更有利于其被用作超級電容器電極材料。


圖一氮雜石墨烯-聚苯胺膜的制備

該石墨烯-聚苯胺材料作為電極組裝成的超級電容器,具備優異的電化學性能(圖二)。尤其值得指出的是,其循環穩定性極為優越,20000圈充放電后容量保持78%,這在同類材料中處于領先地位。對于其極佳的循環穩定性,研究團隊提出了一種可能的機理,即以高度氮雜石墨烯膜前驅體中氮原子為活性位點,接枝生長聚苯胺。這一結構可有效避免充放電過程中聚苯胺的粉化效應,大大提高其壽命。


圖二氮雜石墨烯-聚苯胺膜的電化學性能

因其優異的浸潤性以及繼承于其前驅體的豐富孔道結構,該材料在高負載時仍具備極佳的電化學性能(圖三),而高負載對于超級電容器的商業應用至關重要。


圖三高負載量時氮雜石墨烯-聚苯胺膜的電化學性能

相關成果以"Wet-spinning assembly of nitrogen-doped graphene film for stable graphene-polyaniline supercapacitor electrodes with high mass loading"為標題發表在Science China Materials上。文章的第一作者為浙江大學高分子科學與工程學系納米高分子高超教授課題組的本科生褚星遠,通訊作者為高超教授與2018屆畢業生黃鐵騎博士。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等相關經費的大力資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1007/s40843-019-9436-1

來源:中國聚合物網

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