Small Methods: 巧用闪光灯实现毫秒级超快制备超高电容石墨烯/一氧化锰电极

近年来,石墨烯材料由于其比表面积大、导电率高等优异特性被广泛应用于超级电容器电极材料。然而,即便完全利用单层石墨烯全部表面,理论上其比电容最高仅为550 F/g。为了提升石墨烯基电极的比电容,赝电容材料如氧化锰等常被复合入石墨烯以提高额外的赝电容。虽然一氧化锰(MnO,~1350 F/g)具有比常用电极材料二氧化锰(MnO2,1110 F/g)更高的理论比电容,但复合一氧化锰与石墨烯常需复杂、多步的制备方法,并且容易聚集而致使表面活性位点减少从而导致电化学储能性能降低。因此,通过快速、简便的方法制备均匀分散的石墨烯/一氧化锰电极材料仍然极具挑战性。

针对上述问题,澳大利亚斯威本科技大学埃米材料转化中心Baohua Jia教授,Han Lin博士,Tianyi Ma教授报道了一种超快制备超高电容石墨烯/一氧化锰电极材料的方法,巧用闪光灯照带来的光热反应,首次在毫秒级内“一箭双雕”的同时实现了氧化石墨烯还原为多孔石墨烯网络和二氧化锰纳米针还原为一氧化锰。 

在该项研究中,贾宝华教授团队通过巧妙控制氧化石墨烯与二氧化锰纳米针的质量比,运用理论模型模拟计算出最佳质量比,继而通过实验验证,利用闪光灯光热还原氧化石墨烯时产生的高温高压及大量还原气体(如H2和CO)同时还原二氧化锰纳米针为一氧化锰,成功获取表面致密均匀分布一氧化锰纳米针的多孔石墨烯材料。得益于充分利用锰的多级赝电容反应和多孔石墨烯的双电层电容,制备所得的石墨烯/一氧化锰电极材料展现出1706 F/g的超高比电容,甚至超越了石墨烯和一氧化锰的理论值。运用该石墨烯/一氧化锰组装的非对称电容器在水系电解液中展现出了高达59.9 Wh/kg的高能量密度。此项研究不仅为高效、一步制备高性能超级电容器电极材料提供了方向,也同样为快速、低成本的制备石墨烯基复合材料以运用于储能、能量转换、传感器、催化等不同方向应用提供了新思路。

论文信息:

Flash-Induced Ultrafast Production of Graphene/MnO with Extraordinary Supercapacitance

Huihui Zhang, Dan Yang, Tianyi Ma*, Han Lin*, Baohua Jia*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100225

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100225