ACS NANO: 水热法活化石墨烯纤维制备高比电容电极

石墨烯联盟 2020-05-30 15:15:23


石墨烯联盟:CGIA2013

  碳纤维纺织品由于具有高导电性、柔韧性、低成本、轻质性和易于形成网络结构等特点,在可穿戴式储能装置中具有巨大的潜力。超级电容器具有功率密度高,充放电速度快,使用寿命长等优点。因此,不少研究者致力于将二者优势结合,并推向市场。目前,商业碳纤维布是最受欢迎的碳纺织电极,因为它们具有良好的机械稳定性和导电性能。然而,它们的电容性能相对较低,这主要是由于碳纤维的电化学活性差。因此,制备具有足够电化学活性的高性能碳纺织电极仍然具有挑战性。


  近日,来自浙江大学的科学家们基于湿纺工艺制备了一种新型石墨烯纤维织物(GFF),其具有石墨烯纤维的网络结构,拥有柔性、坚韧、高导电性等特点。此外,研究人员通过调整水热激活条件可以精确控制GFF的微结构,最后得到单层(150μm)的水热活化GFF(HAGFF),最大能够达到1060 mF/cm²的面积比电容。相关成果发表在ACS NANO期刊上。(“Hydrothermally Activated Graphene Fiber Fabrics for Textile Electrodes of Supercapacitors”)。

  “石墨烯纤维作为可穿戴超级电容器电极的尝试,引起了广泛关注,进一步激活处理可以增强其电化学活性。对碳纤维织物活化的一种直接方法是增加其比表面积,”由高超教授带领的研究团队指出:“我们通过水热活化的方法制备了具有分层形态的GFF。在该过程中,石墨烯纤维中的石墨烯片发生皱缩使得其比表面积大大增加,其面积比电容是未经处理的常规GFFs的3倍。此外,该材料还具有良好的充放电速率,较长的循环寿命(50000次充放电循环),以及23.5μWh/cm²的能量密度和26.3mW/cm²的功率密度。通过堆叠5层HAGFF(5×200μm),可获得高达7398mF/cm²的面积比电容。”


 HAGFFs的制备过程和TEM图像



HAGFFs的制备和激活程序主要包括三个步骤:

(i)在室温下将完全干燥的湿纺GO纤维进行10小时的水热处理;

(ii)将部分还原的GO(rGO)凝胶纤维在水中高速切割成超细纤维钉,然后过滤处理以形成非织造织物;

(iii)风干后形成具有分层形态的HAGFF。


  研究人员通过透射电子显微镜(TEM)图像证明,水热活化后的石墨烯纤维由堆叠皱褶的石墨烯片形成。水热激活策略是从常规方法中获取分层石墨烯纤维的有效途径。值得一提的是,该团队的研究工艺建立在先进的连续湿纺技术的基础上,而这有利于实现石墨烯纤维织物的大规模生产。

  这种水热激活制备石墨烯皱缩薄片的方案较为简单,据该论文显示其质量可控且比较高效,尤其适合基于氧化石墨烯的材料。与其他碳纺织电极相比,其比表面积更大,因此除了可以应用在超级电容器中外,在燃料电池、水电解系统等领域应该也有用途。此外,这种工艺也适合掺杂活性材料,从而可能制备出更高性能的纺织电极,并拓展出更多的用途。


文献来源:Zhejiang University

文献链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b05092


来源:江苏纳米创新中心

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