中國科學技術大學二維類石墨烯研究領域取得新進展

中國粉體網9月30日訊  近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室在二維類石墨烯研究領域取得新進展。研究人員利用新型無機二維超薄結構構建了高氧化還原電位且最優能量密度的柔性平面超級電容器。該結果以 “Two-dimensional vanadyl phosphate ultrathin nanosheets for high energy density and flexible pseudocapacitors” 為題在線發表在9月12日出版的Nature Communications雜志上。

    近年來，由于便攜式電子器件突飛猛進的發展，柔性薄膜型儲能器件能夠實現能量供給的同時兼具柔性、超薄甚至透明特性而廣受關注。盡管超薄二維石墨烯/類石墨烯材料在構建柔性超級電容器表現出強勁優勢，但是目前高電化學活性的電極材料的進展依然不盡人意，無法滿足目前薄膜型超級電容器對高能量密度的迫切需求。

    針對上述挑戰，我校謝毅教授課題組與美國德克薩斯大學-奧斯汀分校余桂華教授合作，提出了利用具有高電化學活性的磷酸氧釩二維超薄結構設計二維雜化組裝薄膜來構筑柔性超級電容器的新途徑，獲得了氧化還原電位(~1.0V)接近純水電化學窗口電壓（1.23V）的贗電容柔性平面超級電容器。博士生盧秀麗、本科生彭樂樂等人通過選擇性溶劑超聲，制備出具有幾層原子厚度的磷酸氧釩超薄二維結構。為了解決具有電學絕緣性的磷酸氧釩在電極中的電子傳導問題，他們通過氫鍵作用使二維超薄磷酸氧釩集成在石墨烯片層之上形成二維雜化結構，再將這種二維雜化結構通過層層組裝形成薄膜電極，這樣組裝出薄膜的電導率達1.6´10-1 W∙cm，比純的二維磷酸氧釩超薄薄膜的電導率提高了8個數量級。新設計的組裝結構不僅完美體現了磷酸氧釩的高電化學活性，又解決了薄膜電極的導電性問題，因此構建出的柔性薄膜型超級電容器的比容量高達8360.5 μF∙cm-2，能量密度達1.7 mWh∙cm-2，功率密度達5.2 mW∙cm-2，是目前為止最優能量密度的柔性超級電容器。該項研究對于推動能源存儲領域進展具有重要的科學意義和實用價值，也為研究尺度受限的二維超薄結構的電性能開辟了新的途徑。

    謝毅教授課題組一直從事基于電、聲調制的無機功能固體設計與合成這一交叉領域研究，自2011年始在無機二維超薄結構的精細結構、電子結構與電、光、熱基本性能的調控規律方面開展了深入研究，迄今已在Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.三個國際著名學術期刊上發表高水平論文十余篇，還為英國皇家化學會著名綜述刊物Chem. Soc. Rev.撰寫了兩篇指導性評述。該課題組是目前國際上在該領域持續活躍的幾個主要研究小組之一。

    該工作的學生第一作者為博士生盧秀麗同學，2010年從聊城大學考入科大讀研，另一重要參與者彭樂樂同學是科大化學院2008級本科生，2013年8月赴美國德克薩斯大學-奧斯汀分校余桂華教授課題組攻讀博士學位。

    該工作得到國家自然科學基金委、科技部重大研究計劃和中國科學院先導項目的資助。