ACS Nano：一步法制备具有高能量密度的黑磷烯平面超级电容器

【引言】

为了满足可穿戴和便携式电子产品不断增长的需求，微型储能装置由于重量轻，薄型化，并且具有出色的灵活性，低成本的可扩展性和高能量密度而引起了人们的高度关注。合理设计石墨烯及其他二维纳米片的微结构，构筑高能量密度微超级电容器（MSCs）简化制造方法对于灵活和集成的电子元件具有重要价值。

【成果简介】

近日，来自中科院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员和沈阳金属研究所的任文才研究员（共同通讯）等人基于堆叠高品质磷烯纳米片和电化学剥离的石墨烯的混合交叉指型平面电容器（PG-MSCs），开发了简便的一步掩模板辅助过滤法获得高质量高能MSCs（PG-MSCs）制造方法。在交叉指型掩模板的辅助下，通过逐层沉积黑磷烯和石墨烯纳米片，并直接转移到柔性基底上即可得到器件。所得到的电极薄膜具有突出的均匀性，柔韧性，导电性（319Scm^-1），其可以直接用作MSCs的柔性电极而无需粘合剂等添加。值得注意的是，PG-MSCs在离子液体电解液中具有3V的工作电压以及11.6 mWh cm-3的能量密度，超过大多数基于纳米碳材料的MSCs。该研究成果以“One-Step Device Fabrication of Phosphorene and Graphene Interdigital Micro-Supercapacitors with High Energy Density”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图1 掩模板辅助法简单制备PG-MSCs

（a-e）PG-MSCs的制造示意图：（a）石墨烯和黑磷烯的合成; （b）在交叉掩模板辅助下，依次逐步过滤石墨烯和黑磷烯; （c）将PG膜干燥转移到PET基底上; （d）剥离PTFE膜，滴加电解液和器件封装; （e）串联连接的MSCs集成演示

（f）9个串联的PG-MSCs的图片

（g）在高折叠状态下PG-MSCs集成化的灵活性和稳定性演示

图2 黑磷烯和PG膜的表征

（a-c）a）黑磷烯的TEM和（b，c）HRTEM图像

（d，e）（d） 黑磷烯纳米片的AFM图像和（e）厚度较为均匀

（f）黑磷烯的XPS光谱

（g）PG膜的横截面SEM图像（左）和C，P元素的相应EDX映射，取自方形区域

（h）PG膜，石墨烯和黑磷烯的拉曼光谱

图3 PG-MSCs和G-MSCs的电化学表征

（a，b）以（a）5-50mV s^-1和（b）100-1000mV s^-1的不同扫描速率获得的PG-MSCs的CV曲线

（c，d）（c）不同扫描速率下PG-MSC和G-MSC的面比电容和（d）体积比电容

（e）电流密度为0.3A·cm ^-3的PG-MSCs和G-MSCs的GCD曲线

（f）PG-MSCs和G-MSCs的复平面图

图4 PG-MSCs和PG-SSCs的灵活性比较

（a）不同弯曲状态下PG-MSCs的图片

（b）在100mV s^-1下测量的相应CV曲线

（c）PG-SSCs在不同弯曲状态下的图片

（d）在100mV s^-1下测试的相应CV曲线

图5 PG-MSCs的电化学性能

（a）PG-MSCs和G-MSCS的Ragone图

（b）在平坦和弯曲状态下，以0.44Acm^-3获得的PG-MSCs循环2000次的循环稳定性

（c）在单个和三个连续PG-MSCs的100mV s^-1处获得的CV曲线

（d）用于为发光二极管（LED）供电的三个连续PG-MSCs的照片

【总结】

本文展示了基于高品质黑磷烯和石墨烯的掩模辅助下高能PG-MSCs的简化制造。为简化MSCs构建而提出的策略很容易扩展到石墨烯和类似的纳米片，用于灵活，安全和平面的高性能储能装置。

文献链接：One-Step Device Fabrication of Phosphorene and Graphene Interdigital Micro-Supercapacitors with High Energy Density（ACS Nano,2017,

DOI:10.1021/acsnano.7b03288）

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