湖南大学郭坤琨教授Small Structures：具有优异储能性能的共平面聚吡咯基石墨烯水凝胶的合理设计

下一代柔性电子设备（如柔性显示器、人造电子皮肤、便携和可穿戴设备等）不仅要保证电子产品的性能和可靠性，同时还需具备很好的灵活性来改变形状。因此，设备的各个部件都需要遵循柔性（可折叠或可弯曲）的设计原则，而柔性储能部件的开发成为了其中关键。近年来，研究者陆续开发了不同种类的柔性储能设备，其中超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环稳定性好和安全性高的优点，被认为是最有潜力的柔性储能器件。目前，研究者设计了各种结构的柔性全固态超级电容器，二维纳米材料、黑磷、碳纤维膜、水／气凝胶等都已被用作超级电容器中的柔性电极材料。其中，石墨烯水凝胶具有比表面积大、机械稳定性好、密度低等优点，其3D多孔骨架结构还有利于电子的传输及电解质的扩散，但由于双电层电容的限制，石墨烯的比电容小于赝电容材料的电容。

针对这一主题，湖南大学郭坤琨教授及其合作者设计了一种简单的自组装策略，制备了共平面聚吡咯基石墨烯水凝胶，基于该材料的电极和超级电容器具有优异的储能性能。

在本工作中，作者首先通过原位界面聚合制备了聚吡咯@GO粉末，并通过自组装策略制备了聚吡咯基石墨烯水凝胶（PGR）。之后，作者采用SEM、XRD、FTIR、拉曼光谱、XPS和吸附曲线等方法表征了所制备PGR的组成和结构。结果表明，聚吡咯（PPy）纳米球均匀填充在石墨烯层之间，且PPy的存在可以避免氧化石墨烯的聚集，从而减小平均孔径并增大孔体积，有利于电荷的快速转移和电解液扩散。电化学表征结果显示，所合成的PGR材料具有双电层电容行为，表现出631.1 F·g^-1的超高质量比电容（1 A·g^-1）。最后，作者基于PGR材料制备了柔性非对称全固态超级电容器（FASC）。当电流密度为1 A·g^-1时，该FASC具有100.4 F·g^-1的比电容、91.3%的电容保持率（充放电循环3000次），并在折叠2000次后仍具有93.8%的高电容保持率。作者认为，通过该策略制备的聚吡咯基石墨烯水凝胶具有优异的性能，有潜力用作柔性储能器件的电极，加速柔性电子器件的发展。

通讯作者简介：郭坤琨，博士，湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。

论文信息：

Rational Design of Coplanar Polypyrrole-Based Graphene Hydrogels with Excellent Energy-Storage PerformanceJiannan Ding, Peng Chen, Bin Wang, Xuli Chen, Kunkun Guo*Small StructuresDOI: 10.1002/sstr.202100073

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期刊简介

Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。

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