合肥工业大学研发透明、超薄、自支撑石墨烯薄膜柔性全固态超级电容器
来源 | 合肥工业大学 编辑 | 化学加
导读
近日，合肥工业大学化学与化工学院从怀萍教授科研团队与中国科学技术大学、南京大学等单位合作，成功制备出一种高强度、自支撑、超薄石墨烯薄膜，并成功将该薄膜组装为全固态柔性超级电容器，为下一代柔性电子器件的研发开辟了新的路径。其相关成果以《非共价键诱导石墨烯单层宏观组装构筑石墨烯薄膜用于柔性全固态超级电容器》为题于4月12日发表于国际著名学术刊物《细胞》（Cell）的综合类化学期刊《化学》（Chem）上（（Chem, 2018, 4, 896-910）。论文的共同第一作者是硕士研究生王郭飞和青年教师秦海利博士。
全固态柔性超级电容器可为可穿戴电子设备提供安全高效的电源，是新一代柔性电子器件的关键设备。石墨烯作为一种单原子层厚度的二维晶体，兼具优异的光学、电学、热学、力学等性能，是此类新型储能器件的理想材料。然而，由于石墨烯纳米片之间界面作用较弱，且缺少有效的组装方法，研发具有超薄、透明、自支撑的石墨烯薄膜并用作全固态柔性超级电容器仍面临巨大挑战。
图1.（上）基于石墨烯和三聚氰胺相互作用构筑透明超薄石墨烯薄膜；（下）基于单分子原子力显微镜研究不同有机分子与氧化石墨烯之间作用力。
针对这一难题，从怀萍教授科研团队通过设计优化组装体微纳结构和增强界面作用力相结合策略，采用宏观尺度纳米组装技术，实现了这一新型等级结构的先进材料的制备。
该课题组通过单分子原子力显微镜测量手段，在11种不同有机分子中发现了与氧化石墨烯之间的作用力最强的分子——三聚氰胺。研究发现，由于电荷转移与氢键的协同作用，三聚氰胺分子与氧化石墨烯纳米片之间的非共价作用力达到约1纳牛，达到了共价键的力程。通过在氧化石墨烯纳米片层间引入三聚氰胺分子，相邻两层纳米片之间的有效接触大幅增加，使薄膜内部氧化石墨烯片层间的相互作用显著增强，从而制备出具有优异的机械强度的氧化石墨烯薄膜。
图2. 基于30纳米厚石墨烯薄膜构筑全固态柔性超级电容器的研究
据介绍，该薄膜仅由两层氧化石墨烯单层膜组成，厚度仅为22纳米，无需辅助材料即可实现自支撑，并可通过增减单层膜层数实现厚度和性能的可控调节。同时，该薄膜横向尺寸达厘米级，具备可裁剪性和优异的拉伸性，且对强酸强碱高度兼容。
实验结果表明，该新型薄膜在可见光550纳米处透光率高达84.6%，经过原位还原后仍然保持优异的机械性能及光学性能。石墨烯薄膜电阻仅有420方阻。由该薄膜组装而成的全固态柔性超级电容器具有较高的体积电容值、良好的电机械稳定性，展现了优异的超级电容器性能。在循环充放电7500圈后，该薄膜电容值保留高达91.4%。
该工作得到了国家自然科学基金、国际合作重点项目、国家重点基础研究发展计划、新世纪优秀人才支持计划、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省自然科学基金、合肥大科学中心卓越用户基金等项目的资助。
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