Advanced Functional Materials:超越含氧官能团的贡献,重新审视还原氧化石墨烯在锌离子电容器中的储能机理

研究背景:智能化可定制的电子产品的快速发展促进了对新型电化学储能系统的广泛研究,水系锌离子电容器因其安全性高,价格低廉和储量丰富的优点而成为了下一代储能器件潜在的候选者。然而,由于现阶段对正极电荷存储行为了解不足,开发可匹配的锌离子混合电容器的正极材料仍然困难重重。目前,对于石墨烯正极,大多数工作都致力于解释含氧基团在储能过程中的转化及规律,却忽略了石墨结构变化带来的影响。

鉴于此,南京航空航天大学窦辉教授与南京工业大学孙庚志教授以还原氧化石墨烯(rGO)为正极材料构建高效锌离子电容器,并根据电荷存储能力和电化学动力学优化rGO的表面化学性质。通过实验测试表征与DFT计算,证明了在储能过程中,除了含氧官能团的氧化还原之外,H+会在碳原子上发生可逆的吸附/脱离行为,该过程使得石墨烯的π电子云被破坏,产生C sp2-sp3重杂化和石墨结构的扭曲/恢复。这种特殊的储能行为可以充分利用材料的活性位点,有效提升器件的电化学性能。作为概念验证应用,使用3D打印的rGO电极构建锌离子电容器,不仅满足了定制化电极的需求,同时可提供1011 mF cm-2的高面积电容和266 μWh cm-2的能量密度。该研究拓宽了质子电化学的研究视野,并为新型电极材料的设计提供了重要启示。

图1 rGO在不同还原温度下的电化学性能

图2 rGO在不同还原温度下的动力学分析及循环稳定性

图3 rGO在充放电过程中的非原位表征

图4 DFT计算与非原位SEM验证H+在rGO上的吸附过程

图5 充放电过程中rGO的结构变化机理示意图

图6 3D打印rGO//Zn电容器示意图及性能表征

论文信息:

Revisiting Charge Storage Mechanism of Reduced Graphene Oxide in Zinc Ion Hybrid Capacitor beyond the Contribution of Oxygen-Containing Groups

Hai Xu, Wenjie He, Zhiwei Li, Jiaxiang Chi, Jiangming Jiang, Kangsheng Huang, Shulong Li, Gengzhi Sun*, Hui Dou*, Xiaogang Zhang

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202111131

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202111131