劉忠范(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

基于二維層狀黑磷的高性能柔性固態(tài)超級電容器

劉忠范
(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

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近年來，二維納米材料以其特殊層狀結(jié)構(gòu)與優(yōu)良性能作為柔性儲能器件電極材料，人們已進(jìn)行了廣泛探索研究，期望發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)異的柔性二維電極材料。

黑磷作為一種p型直接帶隙層狀單元素半導(dǎo)體上世紀(jì)60年代已被發(fā)現(xiàn)1，但對二維層狀黑磷的廣泛興趣始于2014年其在場效應(yīng)管中的成功應(yīng)用2，近兩年相關(guān)研究激增。研究發(fā)現(xiàn)，二維黑磷維持直接帶隙，隨層數(shù)減少，可在~0.3－2.2 eV范圍調(diào)控，顯現(xiàn)出在(光)電子器件領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。此外，相較于石墨層間距(0.36 nm)，黑磷層間距達(dá)0.53 nm，研究顯示，黑磷作為鋰、鈉電池電極材料，大的層間距有利于離子插入與脫出，展現(xiàn)出優(yōu)異的儲能潛力3,4。結(jié)合二維黑磷的柔性特性，燕山大學(xué)的溫福昇、柳忠元教授等研究人員進(jìn)一步探索了這一新型二維材料作為柔性電極材料在超級電容器中的應(yīng)用前景。

人們對二維黑磷在(光)電子器件應(yīng)用方面寄予了極高的期望。但環(huán)境穩(wěn)定性差，與水汽接觸，可快速氧化生成磷酸1，成為實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。最近，人們通過液相剝離法實現(xiàn)了二維納米層狀黑磷的大量制備。研究顯示，大量溶劑分子或官能團(tuán)附著在層狀黑磷表面，盡管不利于(光)電子器件方面的應(yīng)用，但可起到防氧化保護(hù)作用5,6。針對液相剝離層狀黑磷這一優(yōu)勢，利用液相剝離制備的層狀黑磷分散溶液及簡易滴涂法，溫福昇、柳忠元教授等研究人員在Pt/PET柔性基底上實現(xiàn)了取向一致的黑磷薄膜制備，組裝了聚乙烯醇/磷酸為電解質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)固態(tài)超級電容器7。

實驗顯示，這一基于二維層狀黑磷的新型固態(tài)超級電容器展現(xiàn)出優(yōu)異性能：0.01 V?s－1低掃描速率下，電容為13.75 F?cm－3，10 V?s－1高掃描速率下，仍保持1.43 F?cm－3高電容；力學(xué)與充放電循環(huán)性能優(yōu)異，在器件平整與彎曲交替狀態(tài)下，循環(huán)10000次后，電容維持初始的84.5%，30000次后仍維持71.8%；最大能量密度和功率密度分別達(dá)2.47 mWh?cm－3和8.83 W?cm－3。相較于三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯固態(tài)超級電容器8,9，基于二維黑磷的固態(tài)超級電容器顯示出更加優(yōu)異的循環(huán)性能與更高的能量、功率密度。

溫福昇、柳忠元教授等研究人員基于二維黑磷制備的柔性固態(tài)超級電容器器件，其優(yōu)異的儲能性能與長壽命展現(xiàn)了二維黑磷在儲能領(lǐng)域極大的應(yīng)用潛力。這一成果于2016年2月24日發(fā)表在Advanced Materials上，是首次展現(xiàn)二維黑磷在超級電容器方面具有深遠(yuǎn)應(yīng)用價值的一項工作。編輯Xin Su在Materials Views以標(biāo)題“Black Phosphorus Unleashes Power of Supercapacitor”介紹了這一工作，并且評論道“對工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括電導(dǎo)率和黑磷薄膜密度，預(yù)計器件的性能將再一次飛躍，這將接近黑磷納米片作為電極材料在未來可穿戴器件領(lǐng)域的實際應(yīng)用”。

References

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10.3866/PKU.WHXB201603152