西安交通大學邵金友課題組Matter：石墨烯組裝！
研究背景
大規模制備具有高密度和高離子電導率的電極對于高體積能量和功率密度緊湊型電容式儲能技術至關重要，但也極具挑戰性，因為高密度和高離子電導通常不兼容。特別是以石墨烯為代表的二維材料，在毛細力和π-π相互作用下傾向于平行、有序堆疊，導致離子難以有效進入層間、離子擴散路徑長且曲折，限制了石墨烯電極的高能量和高功率能力，這一問題在大厚度電極上尤為明顯。調整石墨烯片層取向是促進離子傳輸的有效方式，但傳統技術手段如模板輔助、機械剪切、外場誘導、定向冷凍等普遍存在材料密度低、難以大規模制備的問題，限制了高性能石墨烯電極的實際應用。文章簡介
近期，西安交通大學李祥明、邵金友教授團隊受沸騰茶水中茶葉隨水流運動啟發，提出一種在暴沸溫度下通過湍流流動和各向同性毛細壓縮制造致密渦輪狀石墨烯的高效方法：利用流場誘導石墨烯片層取向，毛細壓縮提高材料密度，成功地解決了高密度和高離子導電率之間的權衡問題，并實現了材料公斤級制備（圖1）。渦輪石墨烯片層分布與流場方向一致（圖1B, C），取向散布在0-180度之間，同時有效避免了石墨烯緊密堆疊。制備的渦輪石墨烯相比于疊層石墨烯電極具有更高的離子傳輸能力和更優的電化學儲能特性（圖2, 4）。同時受石榴籽和石榴皮結構啟發，提出“多核致密組裝”方案：疏水性的機械剝離石墨烯（EG）作為“石榴籽”，充當氧化石墨烯（GO）組裝過程中的形核中心和間隔物，在微米尺度進一步調控石墨烯片層取向，避免石墨烯緊密疊層，保障了石墨烯活性位點的充分利用和離子快速遷移；同時，親水性的GO作為“石榴皮”，在毛細作用下壓縮蓬松的EG，顯著提升了材料密度。渦輪石墨烯的取向、孔隙率和材料密度可通過調整前驅體比例在一定范圍內調控（圖3），并顯示出不同的電化學性能表現（圖5），展示了該方法在不同應用領域的靈活性和可行性。該研究為批量化制備高性能二維材料及電極提供了方向，有助于加速二維材料在儲能領域的應用。該工作以 “Scalable fabrication of turbostratic graphene with high density and high ion conductivity for compact capacitive energy storage”為題發表在國際知名期刊Matter上（https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.09.009）。核心創新點
石墨烯片層取向直接影響離子傳輸速度，而石墨烯片層在毛細力和π-π相互作用下傾向于平行、有序堆疊，導致離子擴散距離隨電極厚度呈指數式增長，嚴重限制了離子傳輸速度。傳統的調整石墨烯片層取向的方案如模版誘導、機械剪切、磁場驅動、定向冷凍等存在電極密度低、難以大規模制備等缺陷。受沸騰茶水中茶葉隨水流運動啟發，本文提出利用沸騰流體中湍流流動產生的流場驅動石墨烯片層取向，實現石墨烯片層由平行、有序疊層向渦輪狀排列的轉變。取向后的石墨烯片層分布與流場分布高度一致（如圖1 B, C），片層取向散布在0~180度之間，其離子擴散能力提高了5.4倍，顯著提升了石墨烯電極在儲能器件中的性能表現。為了解決高密度和高離子電導率不兼容問題，本文在流場誘導取向的基礎上引入毛細壓縮效應，從微觀尺度提高電極密度。同時受石榴籽和石榴皮結構啟發，提出“多核致密組裝”方案：疏水性的機械剝離石墨烯（EG）作為“石榴籽”，充當氧化石墨烯（GO）組裝過程中的形核中心和間隔物，在微米尺度進一步調控石墨烯片層取向，避免石墨烯緊密疊層，保障了石墨烯活性位點的充分利用和離子快速遷移；同時，親水性的GO作為“石榴皮”，在毛細作用下壓縮蓬松的EG，顯著提升了材料密度。通過調控兩者比例，可大范圍調控材料孔隙率、密度和微觀片層取向，顯示了本方案在不同應用領域的靈活性和可行性。渦輪石墨烯展示出優異的儲能特性。相比疊層石墨烯，渦輪石墨烯展現出更高的離子電導率、容量和更好的倍率特性，同時兼具高密度。同時，通過改變前驅體比例調控渦輪石墨烯微結構，可對材料電化學性能進行調控，本文系統闡述了材料微觀結構、電極宏觀形貌及器件電化學性能之間的關系。渦輪石墨烯電極密度可達 1.12 g cm-3，體積電容可達 234 F cm-3，電芯能量密度可達 83.2 Wh L-1，功率密度可達 14 kW L-1，是電容儲能領域的一個里程碑。以渦輪石墨烯電極制備的軟包固態超級電容單體，具有多種輸出選擇，在彎折狀態下無漏液，展示了渦輪石墨烯電極在柔性儲能器件制造方面的潛力。數據概覽
圖1. 批量化制備高密度渦輪石墨烯
圖2 渦輪石墨烯與疊層石墨烯對比
圖3 結構可調的渦輪石墨烯
圖4 渦輪石墨烯與疊層石墨烯儲能特性對比
圖5 結構可調渦輪石墨烯電化學性能
圖6 柔性軟包固態石墨烯超級電容
總結展望
石墨烯平行堆疊對活性表面充分利用的限制和對離子快速擴散的阻礙是石墨烯領域面臨的傳統共性問題，批量化調控石墨烯片層取向、避免緊密疊層是推動石墨烯走向產業應用的必由之路。同樣的困境也存在于其他二維材料，如MXene, MoS2等。因此，本文提出的流場誘導石墨烯取向、毛細壓縮提高材料密度、多核組裝調控微觀結構的方法可能也適用于其他二維材料，有望推動二維材料在儲能、海水淡化、納米過濾等高離子通量應用場景的應用。更重要的是，本文提出的方法簡單、高效，適合大規模生產，有助于推動高性能二維材料及電極宏量制備。Scalable fabrication of turbostratic graphene with high density and high ion conductivity for compact capacitive energy storagehttps://doi.org/10.1016/j.matt.2023.09.009通訊作者簡介
李祥明教授簡介：西安交通大學教授，博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者，國家重點研發計劃青年科學家項目首席。2014年博士畢業于西安交通大學并留校任教，獲中國機械工程學會“上銀優秀博士論文”銀獎，入選中國科協“青年人才托舉工程”，2021年破格晉升教授。長期從事微納制造及能源儲能方面的研究工作。以第一/通訊作者在Nature Communications., Matter, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等學術刊物上發表研究論文40余篇，擔任《國家科學進展》（National Science Open, NSO）編委、《Biomicrofluidics》青年編委、微納執行器與微系統分會理事、陜西省納米科技學會理事，獲教育部自然科學獎一等獎1項。邵金友教授簡介：西安交通大學科研院常務副院長、國家杰出青年科學基金獲得者。國家自然科學基金“納米制造的基礎研究”重大研究計劃集成項目首席、國家重點研發專項項目首席，擔任國家第六次科技預測（2020-2035規劃）極端制造領域專家、十四五國家重點研發計劃“高性能制造技術與重大裝備”重點專項指南專家。主要從事微納制造、柔性電子、仿生制造、儲能器件制造等方面的研究工作，近年來在《Nature Communications》、《Science Advances》、《Advanced Materials》等高水平期刊發表論文160余篇，SCI他引約3100余次，獲得教育部自然科學獎一等獎、教育部技術發明一等獎，陜西省高?？茖W技術研究特等獎。第一作者介紹
李聰明，西安交通大學機械工程學院，研究方向為石墨烯結構調控與能源存儲應用。
加載更多
1144
版權聲明：
1） 本文僅代表原作者觀點，不代表本平臺立場，請批判性閱讀！
2） 本文內容若存在版權問題，請聯系我們及時處理。
3） 除特別說明，本文版權歸納米人工作室所有，翻版必究！
