近十年超級電容器領域的重大突破

石墨烯基電極的超級電容器在室溫下顯示出優(yōu)異的比能量密度85.6Wh/kg，80℃下可達136Wh/kg，這些能量密度可以和鎳金屬氰化物電池的值相比。制備彎曲石墨烯片層重要的關鍵是要充分利用內(nèi)在比電容和單層石墨烯的比表面積。彎曲形態(tài)確保了中孔的形成在大于4V的工作電壓下可以通過離子液體。

通訊作者張博增，納米石墨烯專家，中央千人計劃專家。美國萊特州立大學(Wright State University)的工程與計算科學學院教授。1982-2002在Auburn University曾先后擔任助理研究員、教授，2002-2005在North Dakota State University任教授，2005至今，在美國萊特州立大學(Wright State University)的工程與計算科學學院任教授和院長。主要從事材料科學與新材料制備方面的研究工作，獲得100多項美國專利，在國際會議和學術雜志上發(fā)表300多篇學術論文，曾任Science and Engineering of Composite Materials, an international journal、International Materials Review雜志國際編委和the Journal of Manufacturing Systems and the Journal of Manufacturing Processes雜志副主編，兼職于美國多個大學、研究單位和國際學術組織。

文獻五Ni(OH)2 Nanoplates Grown on Graphene as Advanced Electrochemical Pseudocapacitor Materials.

( J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja102267j) 被引頻次：1118

圖6 Ni(OH)2/GS 復合材料的SEM和TEM圖片

Ni(OH)2納米晶體上生長不同氧化程度的石墨烯片層作為電化學贗電容材料是一種十分有潛力的儲能應用材料。單晶Ni(OH)2六邊形納米片直接生長在輕度氧化、表面導電的石墨烯片層上，復合材料顯示出高的比電容約為1335F/g和優(yōu)異的循環(huán)性能。高的比電容和快速的充放電能力很有前途應用于能量密度和功率密度超高的超級電容器。預制備Ni(OH)2六邊形納米片和石墨烯進行一個簡單的物理混合顯示出較低的比電容，凸顯出直接在石墨烯納米材料的重要性，賦予了活性納米材料和導電石墨烯網(wǎng)絡之間緊密的相互作用和有效電荷傳輸。單晶Ni(OH)2六邊形納米片直接生長在石墨烯片層上的性能要優(yōu)于在小的Ni(OH)2納米顆粒上生長高度氧化的、電絕緣的網(wǎng)狀石墨烯。

通訊作者 戴宏杰，男，1966年5月出生于湖南邵陽，斯坦福大學終身教授，國際著名納米技術專家，湖南大學客座教授。2009年當選美國科學與藝術學院院士，2011年當選美國科學促進會會士，2004年獲得裘利斯史普林格應用物理獎，2011年2月10日，入選2000-2010年全球頂尖一百化學家名人堂榜單，總排名第7，華人排名第1。長期從事碳納米材料的生長合成、物理性質(zhì)研究、納米電子器件研發(fā)，以及納米生物醫(yī)學以及能源材料等方面的研究，在上述領域都取得了卓越的成就，并獲得了廣泛的影響，是國際碳納米材料研究領域的領軍人物之一。

文獻六Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene.

(Science, 2011, DOI: 10.1126/science.1200770) 被引頻次：2253

圖7 微波剝離還原GO示意圖

超級電容器在廣泛使用的過程中由于其低能量密度和相對較高的有效的串聯(lián)電阻而受到限制，使用電化學活化方法來剝離石墨烯，研究者們合成了一種比表面積高達3100m2/g的多孔碳，這種材料具有高的導電率和低的氧氫含量，靠sp2鍵結合的碳具有連續(xù)且高度彎曲的三維網(wǎng)狀結構，原子層墻最初的形成厚度為0.6-5納米寬度的孔隙，使用這種碳材料組裝的兩電極超級電容器有著高的質(zhì)量電容和高能量密度，而且文章中的方法甚至可以發(fā)展到產(chǎn)業(yè)化中。

注：【通訊作者Ruoff教授，同文獻1】

文獻七3D Graphene_Cobalt Oxide Electrode for High-Performance Supercapacitor and Enzymeless Glucose Detection.

(ACS Nano, 2012, DOI: 10.1021/nn300097q) 被引頻次：689

圖8 3D石墨烯/Co3O4納米線復合材料

文章通過兩步路線合成復合材料，一步是簡單的水熱合成過程，二是Co3O4納米線化學氣相沉積原位生長在三維石墨烯泡沫上，制備出稠密的直徑統(tǒng)一，結晶度高的 Co3O4納米線，外面包覆著三維石墨烯骨架。由于石墨烯優(yōu)良的機械性能，盡管3D石墨烯/ Co3O4復合材料的質(zhì)量比較輕，仍可以作為獨立電極使用，并且這種單片三維電極在超級電容器的使用中顯示出優(yōu)異的性能。首先，無缺陷的石墨烯泡沫提供了三維多用性和高導電性通道，以此確保了電荷的快速轉(zhuǎn)移和傳導;其次，Co3O4納米線顯示出優(yōu)異的電化學性能和電催化性能;最后，3D石墨烯/Co3O4復合電極提供了巨大有效的活性面積。

通訊作者陳鵬教授，新加坡南洋理工大學教授， 主要研究生物納米技術領域，如納米材料在傳感， 生物成像，藥物傳遞，和光線療法等領域的應用，同時組里面還有電池等方面研究方向。陳鵬教授在中國浙江大學獲得學士和碩士學位，于2002年在密蘇里大學哥倫比亞完成了他的博士學位研究，在哈佛大學經(jīng)過一段時間的博士后訓練，于2005年加入了南洋理工大學助理教授(新加坡)。目前是一個化學與生物醫(yī)學工程學院的教授。陳教授的研究著重于納米材料(特別是石墨烯材料)和他們在生物成像和能源設備中的應用。

文獻八The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets.

(NATURE CHEMISTRY, 2013, DOI: 10.1038/nchem.1589)被引頻次：1766

圖9 TMDs催化的析氫反應

層狀過渡金屬硫化物(TMDs)制備的超薄二維納米片，從根本上和技術上都十分引人注目。與石墨烯表相比他們有更多種的化學性能和制備方法。單層或者幾層的TMDs 是直接帶隙半導體，帶隙決定于他們的組分、結構和維數(shù)，TMDs可以通過塊體材料剝落獲得或者采用自下而上法的合成。在本文中介紹了如何調(diào)控TMDs的電子結構，使他們具有廣泛的實際應用。TMDs作為制氫和加氫脫硫的電化學活性催化劑已經(jīng)開始研究，同時也作為光電子材料的活性物質(zhì)開始使用。他們的形態(tài)和性能也可用于儲能應用，比如鋰離子電池和超級電容器的電極材料。

通訊作者 Manish Chhowalla，美國羅格斯大學材料科學與工程系教授，于1992年本科畢業(yè)于羅格斯大學，1998年博士畢業(yè)于劍橋大學。Manish Chhowalla教授在二維層狀材料方面研究取得很大成績，期間在Nature Nanotechnology報道了關于1T金屬相MoS2基超級電容器的研究進展，在Science上發(fā)表論文，報道了一種采用僅需1-2秒的微波法制備出高質(zhì)量石墨烯。

文獻九Graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems for energy conversion and storage.

(Science,2015,DOI: 10.1126/science.1246501) 被引頻次：386

圖10 GRMs的能源應用

在光伏器件、燃料電池、電池、 超級電容器等中石墨烯的集成，為不斷增加的全球能源驅(qū)動的需求設備提供了機遇和應對挑戰(zhàn)。石墨烯天然的二維特性具有超高的比表面積，可達2200m2/g，同時也兼顧有高導電性和柔性，使石墨烯成為電荷儲存、離子儲存和氫氣儲存的有效材料。其他二維晶體，比如過渡金屬硫族化合物(TMDs)和過渡金屬氧化物，也成為能源應用很有前景的選擇。使用二維晶體這樣的優(yōu)勢，采用旋蜆程或者疊層組裝方法，有可能根據(jù)“需求”創(chuàng)造和設計出分層人工結構。

通訊作者Francesco Bonaccorso，意大利國家研究委員會會員，在劍橋大學工程系(英國)、范德堡大學物理和天文學院(美國)工作后，獲得了意大利墨西拿大學的物理學博士學位。2009年6月，他在劍橋大學被授予皇家學會牛頓國際獎學金，同時他在劍橋休斯大廳入選了一個研究課題，在那里，他還進修了一個文科碩士學位。目前，他在意大利理工學院的石墨烯實驗室領導一個加工成型小組。他在歐洲石墨烯旗艦計劃組里負責制定未來十年技術路線圖。他的研究興趣包括納米材料的溶液處理，它們的光譜特性，以及聚合物復合材料在太陽能電池、發(fā)光器件、鋰離子電池和超快激光器中的應用。