垂直石墨烯阵列及其在电化学能源转换与储存中的应用

在电化学能源研究中,三维石墨烯结构由于其有效提升的物质传递效率、电化学反应能力及本身可作为导电载体,正被广泛使用。其中,垂直排列的石墨烯纳米片阵列可以通过等离子体增强化学气相沉积法生长在各种各样的基底上。这种特殊结构的三维互联导电石墨烯结构有诸多优点:与基底有效键合并不易被剥离;化学、热、机械稳定性强;超大比表面积;大量具有化学反应活性的石墨烯刃边;比其他三维结构更容易使电解液浸润的开放式多孔结构;高导电率等。由于这些优异的性质,垂直生长的石墨烯阵列结构被认为是最理想的电化学反应电极或其他活性材料在电化学反应中的理想载体之一。

AENM-zhangwenjun

最近,香港城市大学张文军教授团队从电化学能源转化与储存效能的角度出发,总结了垂直石墨烯阵列的生长原理、理化性质及其在电化学能源领域中的研究进展。该综述文章首先介绍了利用等离子体增强化学气相沉积法制备垂直石墨烯阵列的生长条件,例如气体成分及比例,电场,气体压力,等离子体源功率,基底温度,生长时间和基底材料类型。由于含碳气体原料及其他辅助气体在等离子体中、与基底材料反应中的复杂性,这些参数互相影响,共同作用,提供了垂直石墨烯阵列的密度、厚度、高度等形貌特征的可控性。在大量文献与实验观察的基础上,文章讨论了垂直石墨烯阵列的形成机理,例如在不同基底材质上的成核机理,生长过程及石墨烯纳米片的生长结束机制。文章通过比较不同三维石墨烯(如CVD生长的网状结构、(还原)氧化石墨烯气凝胶、高温转化有机物前驱体的石墨碳泡沫结构)的制备方法、比表面积、孔径大小、异质原子掺杂及电导率、石墨相程度、机械强度、液体浸润等物理化学性质,阐述了垂直石墨烯阵列在电化学反应中的适用性。

由于特殊的垂直排列结构,这种垂直石墨烯阵列可直接用于双层电容器电极,并表现出比其他形貌的石墨烯电极更高容量和更好的倍率性能,尤其用作高频率电容器。此外,由于大量暴露的具有催化活性石墨烯刃边(可进一步增加含氧官能团浓度增强催化活性),垂直石墨烯阵列也可以作为全钒液流电池中VO2+/VO2+氧化还原反应的有效催化剂。作为电极载体,垂直石墨烯阵列可以通过简单方法有效负载金属氧化物、聚合物、硅、二维过渡金属硫化物等不同体系中的活性物质,提高他们在赝电容、锂离子电池(锂空气电池)、燃料电池及电解水等领域中的容量或效率。文章列举了大量相关文献及数据,突出了垂直石墨烯阵列的优异电化学性能。文章最后提出了垂直石墨烯阵列在电化学应用中的不足,即作为薄膜材料其活性材料负载率低,以及生长机理及形貌控制仍然需要进一步研究。这篇文章发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700678)上。