劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

自下而上法制備硫摻雜石墨烯薄膜應(yīng)用于微型超級(jí)電容器

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

在高度信息化和智能化的今日，軍民兩用類電子產(chǎn)品向著高度集成化、輕量便攜化和功能結(jié)構(gòu)一體化的方向快速發(fā)展，迫切需求發(fā)展與其配套的新型儲(chǔ)能器件。微型超級(jí)電容器具有輕量化、厚度薄、體積小、超高功率密度、長循環(huán)壽命和高頻率響應(yīng)而備受關(guān)注1。其中，發(fā)展高性能電極材料是實(shí)現(xiàn)高性能微型超級(jí)電容器最為重要的研究方向之一。目前，納米炭材料、金屬氧化物和聚合物是常見的三類典型的薄膜電極材料2。其中，金屬氧化物和聚合物具有較高比容量，但是功率密度低、頻率響應(yīng)低以及循環(huán)穩(wěn)定性差。而導(dǎo)電性好、循環(huán)穩(wěn)定高的活性炭、碳納米管和石墨烯等納米炭材料成為重要電極材料3。

石墨烯因其超薄二維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠很好與平面交叉指狀超級(jí)電容器匹配，可實(shí)現(xiàn)電解液離子沿著石墨烯平面快速遷移，電荷存儲(chǔ)最大化4。研究發(fā)現(xiàn)，一種或多種雜原子(氮、硼、硫)摻雜石墨烯能顯著提高超級(jí)電容器性能。比如，硫原子能調(diào)節(jié)石墨烯晶格中的電子排列，可改變石墨烯的電化學(xué)性質(zhì)5。邊緣處的碳硫鍵是一個(gè)重要的活性位點(diǎn)，能極大地影響電子雙電層，從而有效增加石墨烯贗電容特性。雖然氮或硼摻雜石墨烯薄膜應(yīng)用于微型電容器已經(jīng)報(bào)道，但是，以納米石墨烯為前軀體，采用自下而上精確制備出厚度均一、大面積的硫摻雜的石墨烯薄膜仍面臨很大挑戰(zhàn)6。

最近中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)浾n題組，與德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授和馬普高分子研究所Klaus Müllen教授，采用自下而上熱解法成功制備出連續(xù)、均勻、超薄硫摻雜石墨烯薄膜(SG)，并將其應(yīng)用于高比容量微型超級(jí)電容器，相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在Jou rnal of the American C hemical S ociety雜志上7。我們知道，硫環(huán)化納米石墨烯(硫環(huán)化六苯并暈苯，SHBC)經(jīng)高溫處理時(shí)，往往會(huì)熱解快速揮發(fā)，難以形成連續(xù)均勻的薄膜。該研究組創(chuàng)造性地提出利用納米金薄層的二維納米限域效應(yīng)和金催化作用，采用自下而上逐步熱解法成功制備出連續(xù)、均勻的硫摻雜石墨烯薄膜。需要指出的是，納米金薄層的存在有利于形成穩(wěn)定的硫-金鍵、以及碳-硫鍵，從而實(shí)現(xiàn)納米石墨烯主體結(jié)構(gòu)完整、硫元素均勻摻雜和薄膜厚度均一。進(jìn)一步以硫摻雜石墨烯薄膜為電極，經(jīng)微納加工技術(shù)構(gòu)建的微型超級(jí)電容器具有高體積比容量(582 F·cm?3)，優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，以及高功率密度(1191 W·cm?3)。這一研究成果開辟了以納米石墨烯為前軀體自下而上法可控制備大面積、連續(xù)石墨烯薄膜新途徑；同時(shí)，發(fā)展了一種硫摻雜石墨烯新策略，證實(shí)了硫摻雜能顯著提高石墨烯薄膜的電化學(xué)性能。

(1)Chmiola,J.;Largeot,C.;Taberna,P.L.;Simon,P.;Gogotsi,Y. Science 2010,328,480.doi:10.1126/science.1184126

(2)Wu,Z.S.;Feng,X.;Cheng,H.M.Natl.Sci.Rev.2014,1,277. doi:10.1093/nsr/nwt003

(3)Wen,L.;Li,F.;Cheng,H.M.Adv.Mater.2016,28,4306.doi: 10.1002/adma.201504225

(4)Gao,W.;Singh,N.;Song,L.;Liu,Z.;Reddy,A.L.M.;Ci,L.J.; Vajtai,R.;Zhang,Q.;Wei,B.Q.;Ajayan,P.M.Nat. Nanotechnol.2011,6,496.doi:10.1038/nnano.2011.110

(5)Jeon,I.Y.;Zhang,S.;Zhang,L.;Choi,H.J.;Seo,J.M.;Xia,Z.; Dai,L.;Baek,J.B.Adv.Mater.2013,25,6138.doi:10.1002/ adma.201302753

(7)Wu,Z.S.;Tan,Y.Z.;Zheng,S.;Wang,S.;Parvez,K.;Qin,J.; Shi,X.;Sun,C.;Bao,X.H.;Feng,X.;Müllen,K.J.Am.Chem. Soc.2017,doi:10.1021/jacs.7b00805

Bottom-Up Fabrication of Sulfur-Doped Graphene Films for Micro-Supercapacitors

LIU Zhong-Fan
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,100871,P.R.China)

hi,L.;Müllen,K.J.Mater.Chem.2008,18,1472.

10.1039/ B717585J

doi:10.3866/PKU.WHXB201703171