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锚固在3D大孔石墨烯柔性电极上的激光氧化的Fe3O4纳米粒子，用于超高能面内混合微型超级电容器
通讯作者：汪正平*，谢颖熙*
背景简介
便携式和可穿戴电子设备的最新发展引起了对小型化的柔性能量存储设备的不断增长的需求。微型超级电容器（MSC），小型超级电容器/超电容器，被认为是片上应用最有希望的下一代电源设备之一。它们具有高功率密度（比电池高几个数量级），快速充电/放电速率（数秒内）和超长寿命（大于一万次循环）的理想特性。更重要的是，此类设备的无隔板平面结构可以控制和缩短电子/离子扩散路径，并易于与其他小型电子设备集成在一起，例如微型传感器，摩擦电纳米发电机和钙钛矿太阳能电池。
在开发高性能HSC（尤其是柔性IHMSC）中，一项具有挑战性的技术是不断利用碳基材料，以保持电解质在电极表面上的良好润湿性。由于大多数碳基材料的疏水性，电解质的不均匀润湿行为会导致电极表面的氧化还原反应不均匀，这可能会降低HSC的性能并导致循环寿命变短。具有微米级和纳米级分级结构的混合电极材料的构造是提高电极润湿性的有效方法，因为在这种结构中产生毛细作用使得电解质离子与电极界面紧密接触，从而由于电解质的连续流动到微米级和纳米级之间的表面能和拉普拉斯压力的梯度。因此，非常需要具有毛细管作用的多孔电极材料中的微米级和纳米级分级结构，以使电解质离子连续运动。
文章介绍
近日，佐治亚理工学院汪正平院士、华南理工大学谢颖熙副教授在国际顶级期刊Nano Energy (影响因子：16.602) 上发表题为“Laser-oxidized Fe3O4 nanoparticles anchored on 3D macroporous graphene flexible electrodes for ultrahigh-energy in-plane hybrid micro-supercapacitors”的研究工作。
该工作通过在柔性基板上高效制备具有分层多孔结构的Fe3O4纳米锚定激光诱导的石墨烯（LIG / Fe3O4），其中聚集的Fe3O4纳米粒子与通过激光自沉积到大孔LIG支架上。LIG / Fe3O4中独特的3D结构产生超亲水和毛细作用，在水中的泵送能力高达0.096μm，从而在电极和水基电解质之间产生了连续的优异润湿性。得益于与Fe3O4纳米粒子可逆的H+离子（脱）插层反应，所得以LIG / Fe3O4为负极和LIG为正极的IHMSC提供了719.28 mF / cm2的超高面积电容，是LIG微型超级电容器的100倍以上，面能量密度为60.20μWh/ cm2。此外，IHMSC具有良好的循环稳定性和机械柔韧性。我们的方法适用于其他毛细管功能化的柔性电子设备，并且可能为柔性电子设备的大规模工业制造开辟新的途径。
该文章共同第一作者为Huilong Liu，佐治亚理工学院汪正平院士和华南理工大学谢颖熙副教授为本文共同通讯作者。
要点解析
图1.
图2.
图3. LIG和LIG / Fe3O4纳米颗粒复合材料的材料表征。
结论
总而言之，作者提出了一种基于Fe3O4纳米颗粒锚固的多孔LIG的超高能柔性IHMSC，其制造方便且具有成本效益。LIG / Fe3O4纳米颗粒复合材料可以通过激光沉积一步将扩散控制的Fe3O4集成到柔性基板上的高电容LIG框架上。SEM，EDS，TEM，XRD和XPS表征表明，纳米颗粒复合材料是由大量的Fe3O4纳米颗粒聚集而成，其中的中孔充分且良好地自沉积在大孔LIG支架上。毛细管上升试验表明该纳米颗粒复合物在水中具有优异的润湿性和毛细管作用，表现出优异的离子转移反应动力学。随着Fe3O4纳米颗粒负载量的增加，IHMSC器件的电容也随之增加。LIG / Fe3O4 // LIG-300-IHMSC在2 mV / s时可提供719.28的超高面积电容，并具有出色的能量密度（在1 mA / cm2时为60.20 Wh / cm2）。此外也实现了良好的循环稳定性和机械柔韧性。因此，这些基于LIG / Fe3O4的IHMSC器件可以成功地用于柔性储能系统的大规模工业制造。
汪正平，1947年3月29日出生于中国广州，美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士、香港科学院创院院士、香港中文大学工程学院院长及卓敏电子工程学讲座教授 。
1975年汪正平从宾夕法尼亚州州立大学博士毕业后到斯坦福大学作博士后研究；1977年加入贝尔实验室工作，先后担任研究员、首席科学家、杰出科学家；1992年获颁国际电气与电子工程师学会会士；1995年进入乔治亚理工学院执教；2000年当选为美国国家工程院院士；2010年全职回国，被聘为香港中文大学工程学院院长，电子工程讲座教授；2011年被聘为中国科学院深圳先进技术研究院“先进电子封装材料”广东省创新科研团队带头人、电子封装材料方向首席科学家；2013年当选中国工程院外籍院士；2015年当选为香港科学院创院院士 。
汪正平长期从事电子封装研究，在封装材料领域已发表学术论文1000多篇，申请美国专利60余项，被IEEE授予电子封装领域最高荣誉奖——IEEE元件、封装和制造技术奖 [4] 。
https://baike.baidu.com/item/%E6%B1%AA%E6%AD%A3%E5%B9%B3/14465993?fr=aladdin
谢颖熙，华南理工大学副教授，硕士生导师，广东省功能结构与器件智造制造工程实验室副主任。2017年获华南理工大学和加州大学伯克利分校联合培养博士学位。2017.7-2018任华南理工大学助理研究员，2018至今任华南理工大学副教授。主要从事微纳米功能化结构先进制造，柔性材料先进制造理论技术及装备，智能制造及器件等领域研究。发表SCI论文40余篇，其中第一作者10余篇，获专利授权10余项。近5年来获得国家自然科学基金、教育部、广东省自然科学基金等科研项目10余项。担任Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces等刊物审稿人。
http://www2.scut.edu.cn/smae/2019/0507/c21153a317167/page.htm