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《科学中国人》,2017年8月

新华社合肥4月2日电记者从中科院合肥物质科学研究院了解到,我国专家成功研制出一种柔性全固态超级电容器,这种具有高性能杂原子掺杂石墨烯基纳米结构的超级电容器首次实现了可规模化制造的突破。

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该科研项目由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所博士王奇课题组和南京师范大学教授韩敏课题组合作完成,部分研究成果已线上发表于国际知名材料学期刊《Small》上。

专访王奇

随着柔性可穿戴电子产品的需求快速增长,发展柔性的能量储存装置显得迫切,其关键在于设计开发出兼具优异储能和机械性质的电极材料。

2010年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆(An d re G e
im)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(K o n s t a n t in
Novoselov)教授自捧起诺贝尔物理学奖的那一刻起,石墨烯——这个脱胎于石墨、被誉为“黑金”的新材料,就被聚焦于闪光灯下,举世瞩目。随之而来,习近平主席访英期间参观曼切斯特大学国家石墨烯研究院,华为牵手英国曼切斯特大学共同研究石墨烯应用,2015中国国际石墨烯创新大会在青岛盛大召开……石墨烯的每一次出镜,无一不撩动着大众的心弦,并被寄予厚望:“石墨烯进步一小步,世界前进一大步”。事实上,尽管近几年石墨烯才成为关注的焦点,但“早在2004年,石墨烯就已经在实验室里被制备出来了,”王奇向记者介绍说。这位中国科学院等离子体物理研究所的副研究员,已有近10年石墨烯纳米材料和新能源电池研究,核能科学与工程、环境科学、等离子技术与应用等多学科交叉研究经验,并以负责人身份主持了国家自然科学基金、重点研发计划、中国科学院“青年创新促进会”人才专项等多项科研项目。作为国际石墨烯大会的特邀嘉宾之一,王奇从2008年起就已经开始关注这种新型材料,并在研究工作中成功将等离子体技术和石墨烯及其复合材料的制备有效结合,开发出高效的各类催化剂,成为国内外的首创方法。

王奇介绍,目前有两类纳米材料为高性能电极材料的设计带来了新契机,分别是杂原子掺杂石墨烯和二维金属硫化物纳米结构,它们均有很大的应用前景,但是如何将这两类材料有效“联姻”,以制造出更高性能的电极材料,仍是材料科学和化学领域极具挑战性的课题。

石墨烯为什么如此令人瞩目?

两个课题组在研究过程中,巧妙地将有机分子的碳化、掺杂、相转换和自组装等重要的物理化学过程集成于一体,首次成功实现了硫掺杂石墨烯和硫化亚锡杂化纳米片的原位合成与组装,得到了新颖的三维纳米结构,为延伸和拓展掺杂石墨烯材料在清洁能源、光电和传感等重要技术领域的应用奠定了基础。

石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚度仅为1毫米的石墨就大约包含300万层石墨烯。2004年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。2010年,这两位科学家共同获得诺贝尔物理奖给很多人留下了深刻印象,毕竟不是每一个诺贝尔奖的实验工具都像胶带纸一般亲民常见,也不是每一个诺贝尔奖的研究对象都像石墨烯那样神奇又易于理解,更毋论石墨烯所拥有的独特性能和广阔应用了。“石墨烯的应用领域有很多,”王奇介绍说。随着石墨烯的研究和产业化发展持续升温,相关专利.也呈现爆发式增长,据统计,有关石墨烯的专利在2010年仅为353件,到了2012年就暴增到1829件。而从石墨烯专利的领域分布来看,其应用技术研究布局热点包括:石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明导电薄膜等。

在以氢氧化钾溶液为电解液的电化学性能测试中,由上述纳米结构所得三维石墨烯复合材料,电活性远高于石墨烯复合物和其他电活性材料;而在此基础上研制出的柔性全固态超级电容器器件,展现出优异的电化学储能性能,迴圈性和稳定性尤其突出。

不久前,据新华社报道,王奇和南京师范大学韩敏教授课题组合作,在高性能杂原子掺杂石墨烯基纳米结构的规模化制备及其在柔性全固态超级电容器应用方面取得重要进展。部分研究成果已在线发表于国际著名S
C I期刊Small上,并被选为该杂志的Inside Front C o v e
r。采访中,他对这个项目做了更进一步的解读:“石墨烯应用很广,目前大家关注点集中在电池领域,比如小到智能手机、笔记本电脑,大到汽车乃至飞机的电池,就石墨烯的特性而言,在超级电容器方面有其独特的优势。”《哈利波特》系列电影中动态显示的魔法报纸给很多人留下了深刻印象,从某一方面来讲,这也可算作是一种柔性显示屏幕。随着科技的迅猛发展,柔性电子时代已触手可及,无论是外形还是功能,这些产品都在不断刷新着人们的眼球。就其中的柔性可穿戴设备而言,能否开发出柔性全固态超级电容器,成为其未来发展的关键。要想实现这一目的,设计开发出兼具优异储能和机械性质的电极材料不可或缺。杂原子掺杂石墨烯以及层状金属硫化物的出现,为高性能电极材料的设计带来了新的契机,但其储能性能尚需进一步提高。能否将上述两类材料有效“联姻”或耦合,从而发展出高性能的电极材料,至今仍是材料科学和化学领域极具挑战性的课题。针对上述问题,王奇和韩敏课题组开展了合作研究。巧妙地将有机分子的碳化、掺杂、相转换和自组装等重要的物理化学过程集成于一体,成功得到了新颖的三维多孔杂化纳米结构。相比传统合成策略,该方法具有简单高效、重现性好、可规模化制备等优点,为延伸和拓展掺杂石墨烯材料在清洁能源、光电和传感等重要技术领域的应用奠定了基础。所得三维石墨烯复合材料质量比电容远高于近来报道的石墨烯复合物和其他电活性材料。随后,他们进一步研制出了柔性全固态超级电容器器件,展现出优异的电化学储能性能和长程循环稳定性、优秀的柔性和机械稳定性,优于报道的其他材料的柔性超级电容器。

王奇表示,这项科研成果提出了原位集成和组装二维纳米结构单元来构建三维多孔杂化纳米建筑或骨架材料的新策略,且具备规模化制备的前景,为今后理性设计高性能的杂化电极材料,发展柔性功率源或能量储存装置铺垫了道路。

这项工作提出了原位集成和组装二维纳米结构单元来构建三维多孔杂化纳米建筑或骨架材料的新策略,且具备规模化制备的前景,为今后理性设计高性能的杂化电极材料,发展柔性功率源或能量储存装置铺垫了道路。对于后续进展,王奇充满信心:“通过优化设计和组合,还有望延伸出其它类型的多功能三维多孔骨架材料。”

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