Nano Energy：一维石墨烯纳米线&三维多孔石墨烯——“本是同根生”相容共储能

【引言】

石墨烯一经发现，其理论力、热、电等性能已经可轻松超越许多常规材料数倍，同时被学者也认为石墨烯是碳纳米管、富勒烯等碳材料的基本组成单元，但石墨烯的很多实际应用还需要利用石墨烯组装成宏观石墨烯组装体，包括一维石墨烯纤维、二维石墨烯薄膜、三维石墨烯等被学者们广泛研究。

【成果简介】

根据 Nano Energy官网在线发表的一条最新进展，哈尔滨工业大学李垚教授（通讯作者）、武汉理工大学麦立强教授（通讯作者）、黑龙江科技大学刘晓旭老师（第一作者）联合新加坡南洋理工大学共同合作通过不同尺寸石墨烯的组装，构建了多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体全石墨烯柔性电极材料。该材料具有介于石墨与石墨烯之间的晶格特征，其在作为锂离子/钠离子电池的负极材料时，展现了介于石墨与石墨烯之间的充放电平台，大的比容量，优异的倍率性能以及超长的循环寿命，例如其作为钠离子电池负极材料时，在1C倍率下，1000个充放电循环后，其可逆容量仍能大于300 mAh g^-1 ，甚至在20C的倍率下（充放电时间约为6分钟），其可逆容量仍能大于200 mAh g^-1。该全石墨烯电极材料做为石墨烯组装体家族的新成员，有望在未来柔性轻便穿戴电极材料中一展身手。

【图文导读】

图1：通过模板自组装不同尺寸石墨烯制备柔性全石墨烯电极

介绍了一种多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体化全石墨烯柔性电极材料的合成方法。

（a）利用大尺寸石墨烯包覆在多孔镍网上，然后利用小尺寸石墨烯与聚苯乙烯微球模板制作混合溶液滴到镍网微孔中；

（b）在镍网上得到多维石墨烯一体电极材料的前驱体；

（c-d）不同的退火温度下结构演变图，800℃退火取出模板后，刻蚀掉镍网骨架后得到多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体化全石墨烯柔性电极材料。

图2：多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体化全石墨烯柔性电极材料的形貌

(a-d)分别为不同条件下获得全石墨烯柔性电极材料的扫描电镜图，表明在适当的溶液浓度下，在800度的退火温度下，可在三维石墨烯壁上获得尺寸小于100纳米的石墨烯纳米线；

(e)为SEM元素扫描图，可见镍网基底对形成石墨烯纳米线起决定作用。

图3：多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体全石墨烯柔性电极材料的微观结构

 (a-g)为石墨烯纳米线TEM图。结果表面，小尺寸石墨烯堆叠而产生的石墨烯纳米线结构与很多石墨烯组装体相比具有更高的结晶度，且石墨烯纳米线内部还想成了一些介孔结构；

(h-k)石墨烯纳米下电极材料的同步辐射小角散射表征，进一步证明了一维取向结构的存在；

图4：多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体全石墨烯柔性电极材料的XPS、Raman、XRD表征

 (a,b)为全石墨烯材料的XPS图；        (c,d) 为全石墨烯材料的XPS 、Raman、XRD表征；

结果表明，石墨烯纳米线结构与传统的还原石墨烯相比具有更优异的结晶性。

图5：多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体全石墨烯柔性电极材料的储锂特性

 (a)充放电曲线；(b)CV曲线；(c)倍率特征；(d)循环稳定性。结果表明石墨烯纳米线结构储锂性能优于传统的多孔还原石墨烯。

图6：多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体全石墨烯柔性电极材料储钠特征

(a)充放电曲线；           (b)CV曲线；

(c)倍率特征；               (d，f)循环稳定性；

(e)电化学阻抗；            (f) 碳基储钠综合性能对比图；

结果表明石墨烯纳米线结构的综合储钠性能优于传统的多孔还原石墨烯，甚至超越了当下众多全碳基锂电材料。

【小结】

该工作通过对模板自组装的方法构建了多维石墨烯纳米线与三维石墨烯一体全石墨烯柔性电极材料，该结构石墨烯材料使得电子可以三维石墨烯表面及石墨烯纳米线的直径方向高速传输，由于石墨烯纳米线是由小尺寸石墨烯堆叠而成，锂或钠离子可以在石墨烯纳米线法向高速嵌入与脱出，可见该多维全石墨烯材料可同时提高离子与电子的传输，从而实现了高容量及高倍率共存的锂/钠离子电极体系。

文献链接： Graphene Nanowires Anchored to 3D Graphene Foam via Self-assembly for High Performance Li and Na Ion Storage（Nano Energy,  2017,  DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.051）

【本文第一作者刘晓旭联系方式：liu88062321@163.com】

本文由材料人新能源组 blank 供稿，材料牛编辑整理。

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