東北地理所等在石墨烯電容器研究中取得突破

時(shí)間：2012-12-03 10:08:34

關(guān)鍵字：電容器石墨烯電極電化學(xué)

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[導(dǎo)讀]電雙層電容器(EDLC)作為電能儲(chǔ)存設(shè)備，比傳統(tǒng)的電解電容器有著諸多優(yōu)點(diǎn)，包括充電時(shí)間短，使用溫度寬，壽命長(zhǎng)，能量密度高等。但是，EDLCs的比電容量比傳統(tǒng)電池低多個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用與發(fā)展。EDLCs通過在電

電雙層電容器(EDLC)作為電能儲(chǔ)存設(shè)備，比傳統(tǒng)的電解電容器有著諸多優(yōu)點(diǎn)，包括充電時(shí)間短，使用溫度寬，壽命長(zhǎng)，能量密度高等。但是，EDLCs的比電容量比傳統(tǒng)電池低多個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用與發(fā)展。EDLCs通過在電極表面積累電解質(zhì)的正負(fù)電荷存儲(chǔ)能量，因此，擴(kuò)大電極的比表面積是獲得高比電容量電容器的關(guān)鍵。
當(dāng)今世界與納米技術(shù)的誕生和發(fā)展有著最直接關(guān)聯(lián)，并被譽(yù)為“引發(fā)產(chǎn)業(yè)革命”的碳納米管(Carbonnanotubes,CNTs)和石墨烯(grapheme)等石墨型碳納米材料，由于低成本、大比表面積和良好的電導(dǎo)性，被廣泛用于EDLC電極的制造，以增加其比電容量。其中，著名的石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的二維平面薄膜。其比表面積高達(dá)2630m2g-1，是制備超級(jí)電容器電極的理想材料。
大量研究利用低成本氧化石墨烯(Grapheneoxide，GO)制備EDLCs，包括化學(xué)還原GO、熱還原GO等，表明其比電容均高于100F/g。電化學(xué)還原由于能在常溫下進(jìn)行，且不需要危險(xiǎn)化學(xué)試劑，被稱為“綠色還原”。近年，有研究嘗試?yán)秒娀瘜W(xué)還原法還原GO。但是，電化學(xué)還原過程與GO電容器比電容間的關(guān)系還仍然沒有得到解明。
中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所于洪文研究員與日本科學(xué)家共同針對(duì)電化學(xué)還原過程對(duì)石墨烯電容器的影響進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)還原石墨烯是制備只有幾百納米厚的電雙層電容器電極的關(guān)鍵，在-1.0-1.6V、-1.5-0V及-1.0-1.0V等掃描電勢(shì)下預(yù)還原制備的電極會(huì)表現(xiàn)完全不同的比電容量。他們通過運(yùn)用-1.0-1.0V電勢(shì)，經(jīng)過4000秒的掃描還原氧化石墨烯獲得了比電容高達(dá)246F/g的新型電容電極，同時(shí)他們還研究探討了電化學(xué)還原的石墨烯上殘存的氧官能團(tuán)和sp2域?qū)﹄娙萜餍阅艿牡挠绊憽?
該研究為高比電容電容器的突破提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Carbon(51(2013)94–101)上。