一种具备快速离子传输性能的超级电容器材料——二维超薄碳纳米筛

超级电容器具有功率密度大、充放电时间短、循环寿命长及性能安全稳定等优点,是近年来倍受关注的新型储能器件之一,其中,新结构电极材料是影响超级电容器性能的关键。石墨烯纳米筛是一类新型的电极材料,具有高的面内孔密度以及丰富的含氧官能团。利用纳米压印技术可以制备石墨烯纳米筛,但此技术的工艺步骤繁琐、产率较低;通过局部化学氧化法也可制备石墨烯纳米筛,但难以实现对其面内孔密度的有效控制,且前驱体化学还原石墨烯缺陷多、导电性差、易于团聚,导致电极材料表面积利用率低、电解质扩散阻力大等问题;这都在一定程度上严重制约了石墨烯纳米筛在超级电容器方面的应用。

二维超薄碳纳米筛最近,陕西师范大学材料科学与工程学院雷志斌教授课题组与大连理工大学邱介山教授课题组合作,研究建立了一种模板辅助化学气相沉积制备二维超薄碳纳米筛的新方法。该方法基于二茂铁易于升华和易于热解的特性,以具有六方结构的MgAl-LDO为模板,在其表面同时沉积超薄碳层和~2 nm的超细Fe粒子, Fe粒子迅速转化为Fe2O3,并在随后的800 oC热解过程中,腐蚀周围的碳层,最终形成具有中空结构的“饼状”超薄碳纳米筛。纳米筛富含由微孔、1-6 nm及10-50 nm的中孔构成的多级孔道,且孔的密度、几何形状均可通过改变沉积时间及热解条件进行调控。二维面内纳米孔有助于促进纳米孔边缘含氧官能团参与赝电容反应,且有利于电解质在垂直于二维平面内的扩散,显著提高了电极材料的电容性能。

上述研究结果发表在近期出版的Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201502025)上,并被选为当期刊物的前内封面。

该工作得到了国家自然科学基金,陕西师范大学应用表面与胶体化学创新引智基地以及陕西省科技创新团队的支持。