石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)塊體材料研究獲得進(jìn)展

最近，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院王學(xué)斌教授課題組報(bào)道了一種鋅誘導(dǎo)的分層碳化法，可以在低成本下高效制備優(yōu)質(zhì)的三維石墨烯塊體材料，其產(chǎn)品稱(chēng)之為鋅誘導(dǎo)三維石墨烯ZnG。

鋅誘導(dǎo)分層碳化法，即鋅輔助的固態(tài)有機(jī)物熱解法（ZASP）。 以葡萄糖作為碳源，以鋅粉作為分層劑；在加熱葡萄糖進(jìn)行熱裂解生成焦的同時(shí)金屬鋅蒸發(fā)滲入焦中。 進(jìn)一步，在表面張力的驅(qū)動(dòng)下鋅和焦的混合物發(fā)生分層形成三明治結(jié)構(gòu)；或者形象地說(shuō)，鋅將焦切割成數(shù)個(gè)薄層。 在后續(xù)加熱過(guò)程中，焦薄層轉(zhuǎn)化為石墨烯，而鋅揮發(fā)完畢。 液態(tài)鋅徹底將焦轉(zhuǎn)化為石墨烯，在產(chǎn)品中沒(méi)有實(shí)心碳或大塊碳等副產(chǎn)物，消除了此前固態(tài)碳源熱解過(guò)程中通常存在的實(shí)心碳副產(chǎn)物的問(wèn)題。 這個(gè)過(guò)程類(lèi)似高爐煉鐵中的焦炭爐襯溶損現(xiàn)象。 鋅對(duì)焦的分層效應(yīng)是一種新型的金屬-碳相互作用， 不同于此前的金屬和碳化合反應(yīng)、合金化等金屬-碳相互作用類(lèi)型。 故此鋅分層效應(yīng)不同于通常的模板過(guò)程。

此外，鋅可以催化碳化和石墨化過(guò)程；鋅還可以直接揮發(fā)并沉積在尾氣系統(tǒng)中，無(wú)需任何處理直接循環(huán)使用，不但避免了其他方法中麻煩的濕處理，而且真正實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用，大大降低了成本。 鋅法三維石墨烯產(chǎn)品ZnG 具有高比表面積、 優(yōu)異熱穩(wěn)定性、在空氣中和在電解液中出色的電導(dǎo)率。 該工作還演示了ZnG 用作雙電層型超級(jí)電容器的電極，實(shí)現(xiàn)了卓越的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命。 首先研究了鋅誘導(dǎo)分層碳化法ZASP。 在典型生產(chǎn)過(guò)程中，將葡萄糖和鋅粉混合、壓制成所需形狀、在惰性氣氛下加熱至1 200 ℃， 即可直接得到石墨化程度較好的三維石墨烯塊體ZnG。 ZASP 過(guò)程具有較高產(chǎn)率，ZnG 產(chǎn)品能夠保持初始的設(shè)計(jì)外觀(guān)。 ZnG 是一種三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)泡孔都與五六個(gè)泡孔相鄰，整體趨向于緊密有序排列。 ZnG 泡孔的孔壁為sp2 單/寡原子層，平均厚度為2.2 nm。 在ZnG 中沒(méi)有此前固態(tài)碳源熱解方法的實(shí)心筋、實(shí)心顆粒等雜質(zhì)形貌。相比三維化還原氧化石墨烯3DRGO 來(lái)說(shuō)，ZnG 具有更高的化學(xué)純度、比表面積、電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性。

該研究進(jìn)一步展示了ZnG 組裝的對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器器件。電化學(xué)測(cè)試表明，ZnG 基超級(jí)電容器具有卓越的比電容（在0.5 A/g 時(shí)，達(dá)到336 F/g）、最大功率密度（625 kW/kg）、能量密度（11.7 W·h/kg）、循環(huán)穩(wěn)定性（在電位窗口為1.4 V 時(shí)，循環(huán)267 000 圈；在額定電壓下，可循環(huán)超過(guò)1 百萬(wàn)圈）、全壽命周期儲(chǔ)能密度（15 MW·h/kg），遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)儲(chǔ)能器件。

鋅分層效應(yīng)創(chuàng)造了全薄膜結(jié)構(gòu)的三維石墨烯，使ZASP 方法從眾多制備方法中脫穎而出。 產(chǎn)品ZnG 具有高化學(xué)純度、形態(tài)純度、表面積、電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性。 同時(shí)， 鋅也是一種碳化和石墨化反應(yīng)催化劑，是一種可在現(xiàn)場(chǎng)回收利用的試劑。 ZASP 具有良好可靠性和可控性，使用固體碳源，可以進(jìn)行大量生產(chǎn)。生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需濕處理，工藝流程與現(xiàn)有的粉末冶金、熔模鑄造等工藝設(shè)施相兼容，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)開(kāi)辟了道路。

資訊來(lái)源：南京大學(xué)

新型高比能水系電池研究取得進(jìn)展

基于水系電解液的儲(chǔ)能電池具有安全性高、成本低和倍率性能優(yōu)等特點(diǎn)，近幾年發(fā)展迅速。 然而，水系電解液的電化學(xué)窗口較窄(1.23 V)，導(dǎo)致該類(lèi)型電池的工作電壓一般比較低； 且水系電池對(duì)電極材料的選擇較為嚴(yán)苛，穩(wěn)定性和比容量均需大幅提升。低工作電壓、 低能量密度等瓶頸使得水系電池的規(guī)模應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。

近期， 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉宇和副研究員遲曉偉帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)， 提出酸堿隔離電解液和雙溶解/沉積型電極反應(yīng)思路，構(gòu)造出一類(lèi)具有高能量密度（1 503 W·h/kg，基于正極活性材料）的新型水系電池。 該體系采用雙極膜將酸-堿電解液隔離，利用電極電位對(duì)電解液pH 依賴(lài)性，將全電池電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口拓寬至3 V，同時(shí)，電池的正負(fù)極采用了溶解/沉積反應(yīng)［負(fù)極：Zn/Zn（OH）42-；正極：Mn2+/MnO2］， 因而正負(fù)極的理論比容量高達(dá)616 mA·h/g 和820 mA·h/g。 測(cè)試表明，該電池具有較高的庫(kù)倫效率（98.4%）、優(yōu)異的循環(huán)性能（1 500 圈后容量保持率為97.5%）和倍率特性?；谠摲磻?yīng)體系構(gòu)建的液流電池表現(xiàn)出極小的衰減， 循環(huán)6 000 次后容量保持率為99.5%。該研究也為發(fā)展高電壓、高比能量的水系電池提供了新思路。

資訊來(lái)源：上海硅酸鹽研究所