华南理工|袁伟教授团队CEJ综述：当柔性超电遇上二维黑磷- 大数跨境

首页

华南理工|袁伟教授团队CEJ综述：当柔性超电遇上二维黑磷

科学材料站

2021-02-04

导读：本文简要介绍了二维黑磷的结构与性质，阐明了其在柔性超级电容器中的应用优势。汇总了黑磷在降解机理与钝化工艺方面的最新进展。

文章信息

二维黑磷的性质、制备及其在柔性超级电容器中的应用

第一作者：吴耀鹏

通讯作者：袁伟*

单位：华南理工大学机械与汽车工程学院

研究背景

随着柔性功能化电子器件（例如，柔性显示器、电子皮肤和智能可穿戴设备）的快速发展，柔性超级电容器，因其高功率密度、长循环寿命及易于集成等优异性能，在能量存储与转化领域中受到了越来越多的关注。作为一种新兴的二维材料，二维黑磷得益于其独特的结构及其固有的电化学性能，在柔性超级电容器应用中展现出优势。

本文从黑磷的结构、特性与制备等方面进行了简要的回顾，汇总了基于黑磷的柔性超级电容器的应用进展，并对发展高柔性高电化学性能的黑磷基超级电容器提出了见解与展望。本文为制备具有优异电化学性能和出色柔韧性的超级电容器，提供了新的研究思路，这也有助于推动下一代电子设备的应用与发展。

文章简介

近日，来自华南理工大学的袁伟教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Two-dimensional Black Phosphorus: Properties, Fabrication and Application for Flexible Supercapacitors”的综述文章。

本文简要介绍了二维黑磷的结构与性质，阐明了其在柔性超级电容器中的应用优势。汇总了黑磷在降解机理与钝化工艺方面的最新进展。同时还详细展示了不同尺度黑磷（例如，块状黑磷、少层黑磷和黑磷量子点）的制备工艺。

此外，本文重点介绍了基于黑磷的柔性超级电容器的设计策略，包括常规的三明治状结构，微型平面叉指结构以及其他新颖的体系结构。

最后，讨论了基于黑磷的柔性超级电容器的发展前景与未来挑战（图1）。

图1. 二维黑磷及其在柔性超级电容器上应用的发展前景与未来挑战

本文要点

要点一：黑磷结构及其电化学储能特性

文章介绍了黑磷的独特结构，并从二维层状材料的角度出发，比较了黑磷与石墨烯的储能特性，突出了黑磷作为电极材料的优势。黑磷的比表面积可与石墨烯相当，这有助于其在电化学双层电容器中获得高的比容量。而更大的层间距与堆叠密度，有利于阳离子（例如，锂离子和钠离子）的快速插层，以及获得更高的体积容量。此外，良好的导电性与离子/电子迁移率也对电容器容量有积极影响。

要点二：黑磷降解机理与钝化工艺

针对黑磷在环境条件下的氧化降解问题，文章汇总了在黑磷降解机理方面的代表性工作，讨论了当前关于黑磷氧化降解的不同观点（图2）。尽管大量的工作探究了黑磷氧化与降解的过程，但仍需提出一个被广泛认可的降解机理。黑磷的钝化是保持黑磷环境稳定性的重要策略。化学钝化与物理钝化都能在一定程度上起到保护黑磷的效果。

相比于化学钝化对黑磷造成的结构损伤，物理钝化在保证黑磷稳定性的前提下，维持了黑磷的独特结构。此外，得益于黑磷与保护材料之间的协调作用，在钝化中形成的异质结构也有利于黑磷在储能应用中获得更优异的循环稳定性。

图2.黑磷氧化降解过程及其降解机理的示意图

要点三：不同尺寸黑磷的制备工艺

根据黑磷的形态尺寸不同，可以将黑磷分为块状黑磷、少层黑磷以及黑磷量子点（图3）。从材料制备的角度看，限制黑磷发展与应用的主要问题在于，块状黑磷的合成产量低，以及制备出的少层黑磷/黑磷量子点尺寸不均匀。文

章介绍了制备不同尺寸黑磷的研究现状，指出了不同制备工艺的优缺点，为块状黑磷的批量制备及低维黑磷的均匀制备提供了参考。

图3. 不同尺寸黑磷及黑磷基柔性超级电容器的示意图

要点四：基于黑磷的柔性超级电容器的设计与制造

目前，黑磷基柔性超级电容器得到了广泛的研究与报道。基于此，文章从黑磷基柔性超级电容器的设计策略出发，将其分为传统三明治结构、微型平面叉指状结构以及其他新颖的体系配置（图4），并进行了系统的总结与归纳。

同时还考虑了黑磷基柔性超级电容器的实际应用，介绍了高能量密度的柔性电极，为制备高性能的黑磷基电极，以及高柔性的超级电容器提供了设计思路。

图4. 三维可拉伸黑磷基柔性超级电容器的示意图

要点五：总结与展望

作为具有独特结构与优异电化学性质的新兴二维材料，黑磷在柔性超级电容器上的应用受到了极大的关注。文章在黑磷的结构、性质、制备及柔性超级电容器的制造等方面进行了详尽的介绍，提出了设计制备高性能的黑磷基柔性超级电容器的挑战，展望了高质量的稳定黑磷的制备，以及柔性电子设备的集成开发等方面的研究前景。

文章链接

Two-dimensional Black Phosphorus: Properties, Fabrication and Application for Flexible Supercapacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128744

通讯作者介绍

袁伟教授，华南理工大学机械与汽车工程学院教授，博士生导师。

国家优秀青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、广东省特支计划领军人才、广东省杰出青年科学基金获得者。现任华南理工大学科技处副处长（兼），机械制造及其自动化学科方向带头人，“先进电动汽车电源及热控系统”广东省工程技术研究中心主任，“功能结构与器件智能制造”广东省工程实验室常务副主任。主要围绕功能结构、功能表/界面、功能器件和系统集成等开展研究。研究成果在国内外专业刊物上发表120余篇，3篇被ESI高被引数据库收录。主持（承担）国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省科技计划、广东省重点领域研发计划、广州市科技计划、企业委托项目等20余项，获授权国家发明专利20余件。获得国家科技进步二等奖1项，广东省科技进步一等奖1项，广东省自然科学二等奖1项。兼任国家科技奖励、国家自然科学基金、国家重点研发计划等评审专家。

第一作者介绍

吴耀鹏，华南理工大学在读博士研究生。

2020年进入华南理工大学袁伟教授课题组，专业方向为机械制造及其自动化，主要研究兴趣包括激光加工、柔性电极制备以及高性能超级电容器设计与制造等。

课题组介绍

华南理工大学能源器件设计与制造课题组是“广东省先进电动汽车电源及热控系统工程技术研究中心”、“广东省节能与新能源绿色制造工程技术研究中心”、“广东省功能结构与器件智能制造工程实验室”的核心研究团队。是以锂电池、燃料电池、超级电容、电池热管理及新能源器件、系统设计和制造、新能源汽车为主研方向，以制造和能源交叉研究为特色，以基础前沿和工程应用为导向的综合型研究团队。该团队包括博士后1名，博士生6名，硕士生20名，学科背景覆盖机械制造、能源材料、工程热物理等。

课题组招聘

因科研任务和本课题组发展需要，现招收新能源制造、新型电池技术、储能器件、锂电池、超级电容、电池热管理、电化学原位表征等领域具有较强工作能力的博士后合作开展项目研究。欢迎微纳制造、新能源制造、能源化学、材料化学、能源材料、工程热物理等方向理工科博士加盟。

报名时间：本招聘长期有效

联系人：袁伟（华南理工大学）

电子信箱：mewyuan@scut.edu.cn

注：可访问华南理工大学博士后网页以获取更多信息。