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南京大学《Carbon Energy》:多孔3D石墨烯块体用于双电层超级电容器

发布时间:2021-4-2 9:42:40      阅读69

  为了在宏观体积中提供纳米级的非凡特性,将二维纳米片集成到三维(3D)多孔块体中是至关重要的,也可以称为3D体系结构,3D网络或气凝胶。多孔块体3D石墨烯(3DG)的相互支撑结构可以防止石墨烯的聚集或重新堆积,并且3DG的sp2互连网络不仅可以为电子/声子传输提供通道,还可以为传质提供连续的空腔/通道。

  图1、三维石墨烯(3DG)多孔块料:设计,合成方法和双电层电容器(EDLC)应用。双重网络是固体碳网络和孔腔网络
  本文,南京大学王学斌教授课题组在《Carbon Energy》期刊发表名为“Jinjue Zeng et al. Porous monoliths of 3D graphene for electric double‐layer supercapacitors. ”的论文,综述了3DG多孔块体材料的合成方法,并重点介绍了其在电双层电容器中的应用。讨论了目前3DG的制备与应用面临的挑战和前景。

  图2、基于悬浮氧化石墨烯(GO)对三维石墨烯(3DG)的直接胶凝。

  图3、GO / RGO悬浮液的湿纺和过滤。

 

  图4、在3DG的盐模板上进行CVD

  图5、基于三维石墨烯的非水双电层电容器(EDLC)。
  3DG多孔块体是用2D石墨烯单元构建高导电性多孔网络结构而形成的先进材料。它们不仅能在宏观尺度上提供2D石墨烯的优异性能,还能带来一些独特的优势,如分级多孔网络、可调孔隙率和优异的力学特性。所有这些都使它们成为高性能的导电体、弹性体、吸附剂和电化学电极,其中电极引起了极大的关注。
  尽管取得了长足的进步,但基于3DG的EDLCs仍远未达到预期。对于3DG材料,液相法具有产率高等优点,但由于范德华力弱或非共价键合,还原氧化石墨烯的层间连接往往不足且热不稳定。CVD可以通过复制多孔块体模板来生成高质量的3DG,但是在将来的大规模工业化中应考虑模板的循环使用。使用模板对固体/液体碳源进行热解将面临相同的问题。非模板热解具有成本效益,但充满挑战。此外,对生长机理的系统研究可能有利于控制3DG的内部网络结构和孔结构。
  对于EDLCs,其能量密度亟待提高。对3DG电极材料的基础研究将有助于电极/电解质界面的调整和性能的提高。采用高耐压的电极和电解液可以有效地提高能量密度。高度石墨化的3DG可能是合适的电极候选物。值得注意的是,体积性能是某些紧凑型设备的关键指标。此外,还需要探索合适的孔隙结构和电极-电解质匹配。电极和电解质的合理设计将使高性能EDLCs最终实现工业化和商业化。
  参考文献:

  文章来源:材料分析与应用

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