具有高介孔体积的三维多孔石墨烯骨架

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       像活性炭、介孔碳一类的多孔碳材料具有高比表面积,但是其导电性往往较差;以碳纳米管、石墨烯为代表性的sp2碳材料的导电性优异,但是其比表面积往往有限。作为电化学储能核心材料,尤其是高倍率储能器件,往往要求碳材料具有高导电性、高比表面积和高孔容特性。如果能够将石墨烯原位组装形成互联通的三维多孔骨架,有望满足碳材料高端应用的需求。

        清华大学化学工程系张强教授及其领导的研究团队研发了一种介孔占主导的三维石墨烯骨架材料。该研究组发展了氧化物表面复形生长石墨烯的方法,可在多种氧化物模板上进行三维精确组装。当选用水滑石作为前驱物时,尤其是含有Zn这种高温下易挥发元素的水滑石进行煅烧、还原,就会发现高温柯肯达尔扩散形成小孔,挥发性金属还原脱除造出大孔,从而使金属氧化物模板具有可控多级孔。多孔模板经甲烷气相沉积自组装,得到的复形石墨烯是一种介孔骨架材料。这种三维介孔石墨烯具有1448 m2 g1的高比表面积,其中介孔贡献了91.6%的比表面积,是已知报道介孔比例最高的石墨烯材料。该石墨烯的介孔孔容高达2.40 cm3 g1。将其作为锂硫电池正极的活性材料载体时,介孔提供高硫容积、多孔石墨烯作为有效的导电网络、介孔易承受活性材料的体积变化,减缓中间产物的流失。所以,在1.0C的充放电速率下,锂硫电池的首圈活性物质硫利用率为71%,倍率性能突出,500圈循环后仍保留80%的容量。相关结果在线发表于Small(DOI: 10.1002/smll.201501467),并被该期选为封面。

        该工作提供的石墨烯骨架材料的高孔容特性有望在超级电容器、高倍率锂电池领域发挥独特功效。同时,该工作也首次提出一种通过挥发性金属引入介孔的通用策略,可以用于多级孔氧化物、纳米碳材料的精准构筑,提供微纳尺度组装三维结构的新方法。