多孔三維寡層類石墨烯：超高功率超級電容器碳材料

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

多孔三維寡層類石墨烯：超高功率超級電容器碳材料

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

雙電層超級電容器(EDLC)通過表面靜電吸附存儲電荷，具有功率密度高、循環壽命長、安全性好等優點，得到科技界的廣泛重視。理想的EDLC電極材料應同時具備：(i)高的比表面積以確保足夠的電荷存儲空間；(ii)均衡分布的孔結構以利于電解液離子的快速輸運，提升比電容和倍率性能；(iii)高的導電性以確保高功率；(iv)優異的浸潤性以促進離子擴散，增加有效表面積。sp2雜化的碳材料具有導電性好、形態結構豐富、電子結構和表面性質易于調控等特點，成為開發先進EDLC電極材料的重要源泉1。其中，石墨烯是一種很有前途的電極材料2?4，導電性好，理論面積比電容可達21μF·cm?2。但通常石墨烯片層間的π?π堆垛會顯著降低其比表面積，影響電解液傳輸的內部孔道，難以充分發揮其潛力，一般需要采取比較復雜的工藝技術以克服這些不足4,5。

近年來南京大學胡征教授課題組發展了一種原位氧化鎂模板法制備碳基納米籠的新方法，所得納米籠呈新穎的分級結構，具有比表面積大、微孔-介孔-大孔共存、導電性優良、浸潤性可調等特點，表現出優異的EDLC性能6,7。最近，鑒于金屬基底上沉積的碳材料的電導率通常優于氧化物基底上沉積的碳材料這一現象，他們將原位氧化鎂模板法拓展為原位多孔納米銅模板法，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為固態碳源，得到了一種新型的多孔三維寡層類石墨烯材料(3DG)，具有微孔-介孔-大孔相互連通的開放性孔結構，比表面積大(＞1500 m2·g?1)，導電性高(＞800 S·m?1)，在水系和離子液體中均有良好浸潤性8。這種3DG材料在水系和離子液體電解液EDLC中的功率密度分別高達1066.2和740.8 kW·kg?1，其能量密度、循環穩定性均處于EDLC的先進水平，展示出在超高功率和高能量密度存儲領域的廣闊應用前景。更令人感興趣的是，他們通過系統考察EDLC的等效串聯電阻(即計時電位曲線的IR壓降)隨電流密度的變化規律，從一個新的視角深入理解了EDLC材料的結構與性能關系，與經典電化學交流阻抗譜的研究結果相互印證，互為補充，這為深入理解電化學能量存儲材料的構效關系提供了新的思路。相關論文最近發表于Advanced Materials雜志上8。

(1)Zhang,L.L.;Zhao,X.S.Chem.Soc.Rev.2009,28,2520.doi: 10.1039/b813846j

(2)Zhu,Y.;Murali,S.;Stoller,M.D.;Ganesh,K.J.;Cai,W.; Ferreira,P.J.;Pirkle,A.;Wallace,R.M.;Cychosz,K.A.; Thommes,M.;Su,D.;Stach,E.A.;Ruoff,R.S.Science 2011, 332,1537.doi:10.1126/science.1200770

(3)Wu,Z.S.;Parvez,K.;Feng,X.L.;Mullen,K.Nat.Commun. 2013,4,2487.doi:10.1038/ncomms3487

(4)Yang,X.;Cheng,C.;Wang,Y.;Qiu,L.;Li,D.Science 2013,341, 534.doi:10.1126/science.1239089

(5)Li,Y.;Li,Z.;Shen,P.K.Adv.Mater.2013,25,2474.doi: 10.1002/adma.201205332

(6)Xie,K.;Qin,X.T.;Wang,X.Z.;Wang,Y.N.;Tao,H.S.;Wu,Q.; Yang,L.J.;Hu,Z.Adv.Mater.2012,24,347.doi:10.1002/ adma.201103872

(7)Zhao,J.;Lai,H.W.;Lyu,Z.Y.;Jiang,Y.F.;Xie,K.;Wang,X. Z.;Wu,Q.;Yang,L.J.;Jin,Z.;Ma,Y.W.;Liu,J.;Hu,Z.Adv. Mater.2015,27,3541.doi:10.1002/adma.201500945

(8)Zhao,J.;Jiang,Y.F.;Fan,H.;Liu,M.;Zhuo,O.;Wang,X.Z.; Wu,Q.;Yang,L.J.;Ma,Y.W.;Hu,Z.Adv.Mater.2017,29, 1604569.doi:10.1002/adma.201604569

Porous 3D Few-Layer Graphene-Like Carbon for Ultrahigh-Power Supercapacitors

LIU Zhong-Fan
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703203