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- 發(fā)布時間2018-04-25 14:41
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近日，合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院從懷萍教授科研團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)等單位合作，成功制備出一種高強度、自支撐、超薄石墨烯薄膜，并成功將該薄膜組裝為全固態(tài)柔性超級電容器，為下一代柔性電子器件的研發(fā)開辟了新的路徑。其相關(guān)成果以《非共價鍵誘導(dǎo)石墨烯單層宏觀組裝構(gòu)筑石墨烯薄膜用于柔性全固態(tài)超級電容器》為題于4月12日發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)刊物《細(xì)胞》（Cell）的綜合類化學(xué)期刊《化學(xué)》（Chem）上（（Chem, 2018, 4, 896-910）。論文的共同第一作者是碩士研究生王郭飛和青年教師秦海利博士。
全固態(tài)柔性超級電容器可為可穿戴電子設(shè)備提供安全高效的電源，是新一代柔性電子器件的關(guān)鍵設(shè)備。石墨烯作為一種單原子層厚度的二維晶體，兼具優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能，是此類新型儲能器件的理想材料。然而，由于石墨烯納米片之間界面作用較弱，且缺少有效的組裝方法，研發(fā)具有超薄、透明、自支撐的石墨烯薄膜并用作全固態(tài)柔性超級電容器仍面臨巨大挑戰(zhàn)。
針對這一難題，從懷萍教授科研團隊通過設(shè)計優(yōu)化組裝體微納結(jié)構(gòu)和增強界面作用力相結(jié)合策略，采用宏觀尺度納米組裝技術(shù)，實現(xiàn)了這一新型等級結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料的制備。
該課題組通過單分子原子力顯微鏡測量手段，在11種不同有機分子中發(fā)現(xiàn)了與氧化石墨烯之間的作用力最強的分子——三聚氰胺。研究發(fā)現(xiàn)，由于電荷轉(zhuǎn)移與氫鍵的協(xié)同作用，三聚氰胺分子與氧化石墨烯納米片之間的非共價作用力達(dá)到約1納牛，達(dá)到了共價鍵的力程。通過在氧化石墨烯納米片層間引入三聚氰胺分子，相鄰兩層納米片之間的有效接觸大幅增加，使薄膜內(nèi)部氧化石墨烯片層間的相互作用顯著增強，從而制備出具有優(yōu)異的機械強度的氧化石墨烯薄膜。
據(jù)介紹，該薄膜僅由兩層氧化石墨烯單層膜組成，厚度僅為22納米，無需輔助材料即可實現(xiàn)自支撐，并可通過增減單層膜層數(shù)實現(xiàn)厚度和性能的可控調(diào)節(jié)。同時，該薄膜橫向尺寸達(dá)厘米級，具備可裁剪性和優(yōu)異的拉伸性，且對強酸強堿高度兼容。
實驗結(jié)果表明，該新型薄膜在可見光550納米處透光率高達(dá)84.6%，經(jīng)過原位還原后仍然保持優(yōu)異的機械性能及光學(xué)性能。石墨烯薄膜電阻僅有420方阻。由該薄膜組裝而成的全固態(tài)柔性超級電容器具有較高的體積電容值、良好的電機械穩(wěn)定性，展現(xiàn)了優(yōu)異的超級電容器性能。在循環(huán)充放電7500圈后，該薄膜電容值保留高達(dá)91.4%。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國際合作重點項目、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等項目的資助。
