苏州大学AFM: 调控石墨烯含氧官能团，优化锌离子混合电容器赝电容贡献- 大数跨境

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苏州大学AFM: 调控石墨烯含氧官能团，优化锌离子混合电容器赝电容贡献

科学材料站

2020-11-06

导读：该工作系统研究了还原氧化石墨烯表面官能团的锌离子赝电容储能机制，验证了羧基和碳酰基贡献了主要的氧化还原赝电容。

文章信息

优化石墨烯表面的氧官能团结构并增强水系锌离子混合电容器中赝电容活性

第一作者：邵妍妍，孙中体博士

通讯作者：邵元龙教授*，孙靖宇教授*

单位：苏州大学，北京石墨烯研究院

研究背景

锌离子混合电容器因其高的安全性、低成本和环境友好等特性，作为应用于可穿戴电子器件的新一代的储能体系受到广泛关注。然而，正极碳材料有限的容量限制了高性能锌离子混合电容器的商业化应用。

解决上述问题的关键是设计新型正极材料以及提升单位面积负载量，扩大锌离子混合电容的容量。基于较高电负性和电化学活性，碳材料表面的含氧官能团不仅可以增强对锌离子吸附，同时可以贡献赝电容容量，提升器件能量密度。但碳材料表面的官能团种类繁多，其赝电容储能机制鲜有研究，官能团种类、电化学活性缺乏优化。

文章简介

近日，来自苏州大学的邵元龙教授和孙靖宇教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Regulating Oxygen Substituents with Optimized Redox Activity in Chemically Reduced Graphene Oxide for Aqueous Zn-ion Hybrid Capacitor”的论文。

该工作系统研究了还原氧化石墨烯表面官能团的锌离子赝电容储能机制，验证了羧基和碳酰基贡献了主要的氧化还原赝电容。在此基础上，研究者通过系统优化还原氧化石墨烯的制备手段，精准调控了表面含氧官能团的结构设计，获得了同时具有高容量和循环稳定性的锌离子混合电容。同时，将锌离子混合电容器应用于可穿戴电子器件，显现出较好的机械柔韧性和广阔的应用前景。

图1. 锌离子混合电容器的结构和机制。

本文要点

要点一：石墨烯表面氧官能团结构精细设计

正极材料对锌离子混合电容的能量密度具有决定性作用。研究者首先通过不同的还原路径，优选出双氧水辅助水热的还原方法制备得到的还原石墨烯，展现出最优异的锌离子混合电容特性。之后进一步调控还原时间，精细调控还原氧化石墨烯表面氧官能团种类及数量，实现了氧化还原赝电容容量优化。

要点二：氧官能团赝电容机制的系统研究

结合电化学动力学测试，间位XRD，XPS表征和DFT计算，探索了碳材料在水系锌离子混合电容器中储能机制。通过实验和DFT计算，证明了羧基和碳酰基显著改善了碳材料在水系电解液中的浸润性，同时其较高的电负性增强了氧化还原赝电容活性，降低锌离子的吸附能垒，从而取得优异的电化学性能。

要点三：实现高面积容量可穿戴锌离子混合电容制备

研究者将这种表面带有含氧官能团和缺陷的石墨烯材料，锌箔和聚丙烯酰胺凝胶电解质分别作为准固态锌离子混合电容器的正极，负极和电解液，制备得到准固态柔性锌离子混合电容。其中正极材料实现了较高的单位面积负载量为5.1 mg/cm2，并且在保证较好的的柔性下取得了优异的面积能量密度和功率密度。

文章链接

Regulating Oxygen Substituents with Optimized Redox Activity in Chemically Reduced Graphene Oxide for Aqueous Zn-ion Hybrid Capacitor

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007843

通讯作者介绍

邵元龙教授,苏州大学能源学院特聘教授，博导

2010年获得长沙理工大学学士，2015年获得东华大学博士，师从李耀刚教授，王宏志教授。2013-2015年加州大学洛杉矶分校博士联合培养，导师为Richard B. Kaner教授。2016年-2018年，剑桥大学工程系剑桥石墨烯中心博士后研究，合作导师为Andrea C. Ferrari教授及Clare P. Grey院士。2018-2019年作为研究科学家（Research Scientist），在沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）开展打印柔性储能器件相关研究，合作导师为Vincent C. Tung教授。2019年9月加盟苏州大学能源学院，研究领域主要为石墨烯生物质纤维以及柔性可穿戴智能器件。在Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Nature Communications，Advanced Materials等国际知名期刊发表学术论文50余篇。主持国家自然科学基金，江苏省自然科学基金2项。

http://energy.suda.edu.cn/0e/a8/c9713a331432/page.htm

第一作者介绍

邵妍妍，2019年6月本科毕业于洛阳师范学院。2019年9月至今为苏州大学能源与材料创新研究院硕士研究生，导师为邵元龙教授和Jinho Choi教授。主要从事锌离子混合电容器碳正极材料设计相关研究。入学以来以第一作者发表论文在Advanced Functional Materials杂志；荣获苏州大学研究生学业奖学金二等奖。

课题组招聘

课题组拟招聘博士后2名

主要研究方向：

研究方向一：石墨烯生物质纤维制备及可穿戴智能器件应用

研究方向二：材料计算化学。

有意向者请将个人简历等相关信息发送到邮箱：

ylshao@suda.edu.cn