科普專欄 / Information

石墨烯基功能材料的創制、結構和性能調控研究新進展

石墨烯材料具有獨特的物理和化學性質,在能源、催化和環境等領域有廣闊的應用前景,其表/界面的精細調控、廉價制備和應用途經的拓展一直是國内外高度關注的一個學科前沿和熱點。精細化工國家重點實驗室邱介山教授領銜的“能源材料化工”學術團隊面向能源材料化工的學科發展前沿及國家在能源材料化工技術領域的需求,多年來緻力于煤和生物質基微/納米功能碳材料的選控制備及應用研究,近期在石墨烯基功能碳材料的結構和功能調控及應用研究等方面取得了一系列新的進展。

在理想狀态下,石墨烯是一種單原子厚度的二維晶體碳質納米材料,自身具有較強的π-π作用,因而在使用過程中易于發生團聚,這在很大程度上限制了其本征物理和化學性質的應用。如何實現在納米尺度上精細調控石墨烯基本結構單元的物理化學性質,并基于自組裝策略,實現孔隙結構高度發達且内部織構獨特的功能化石墨烯及其複合材料的可控構築,是一個富有挑戰性的難題。

該團隊在前期研究工作的基礎上,最近,以鎳钴基氫氧化物納米線和2D石墨烯為前驅體,基于柯肯達爾效應的陰離子交換策略,通過精細調控固/液界面反應活性,研究建立了一種合成具有高活性邊緣結構的鎳钴硫化物與石墨烯耦合的新方法,得到的複合材料作為超級電容器的電極材料,在電流密度高達50 A/g時(電容器滿充可在12秒内完成),其電容保持率仍高達96%左右(比電容為1433 F/g),明顯優于國内外相關文獻的結果。

以這類複合電極材料與2D多孔納米碳片構築的水系不對稱超級電容器,其功率密度和能量密度分别高達22.1 kW/kg和43.3 Wh/kg,顯示出巨大的應用潛力;理論模拟結果表明,富含邊緣活性位的鎳钴硫化物具有更高的電化學活性和強吸附電解液離子的能力。相關成果發表在英國皇家學會著名學術刊物Energy Environ. Sci.(2016,9, 1299-1307, IF=25.43)上。這一成果有望為新型電容器電極材料之設計和構築提供可資借鑒的新思路,亦為推進高性能儲能器件之實用化提供新的驅動力。

貴金屬Pt催化劑作為傳統的高效催化劑被廣泛應用于催化和新能源等技術領域。從長遠來看,Pt金屬昂貴的價格、有限的儲量等因素将嚴重制約和限制其在新能源等領域的大規模應用。研究和開發能夠取代Pt等貴金屬催化劑的高活性廉價類貴金屬催化劑是國内外關注的一個重要課題。

理想的類貴金屬替代材料需要兼具豐富的電化學活性位和高的導電性。2D石墨烯納米碳材料具有比表面積大、導電性高、活性高等特點,若能優化和調控石墨烯的基面和邊位結構,充分發揮石墨烯的本征結構優勢,實現其活性和導電性的最優組合,石墨烯材料将有望成為理想的類Pt替代材料。

遼甯省“能源材料化工”創新團隊在基于納米碳材料構築類Pt功能催化劑的設計合成方法及其構效關系等方面開展了系統的探索研究,在前期工作基礎上,近期研究發展了一種調控石墨烯電子特性和表面化學特性的新策略。以室溫離子液體為化學鍵橋,采用化學接枝氧化石墨的方法成功合成了硼、氮共摻雜的石墨烯。由于空間位租效應,該方法一定程度上抑制了氧化石墨片層的π-π堆疊,與此同時,石墨烯的基面得到活化、電子結構被優化,進一步實現了石墨烯表/界面的調控。

硼原子和氮原子的協同作用,有效調變了石墨烯活性位的數量、電子結構和導電性,作為染料敏化太陽能電池對電極材料時,實現了8.08%的光電轉換效率,優于商業化的Pt鉑參比電極。成果作為封面發表在著名學術刊物Nano Energy上。這一結果有可能為低成本高性能碳基染料敏化太陽能電池對電極材料的設計與構築開辟一個新的技術途經,也為高性能二維納米碳材料的設計合成及廉價類貴金屬催化體系的研究提供了可資借鑒的新思路。

貴金屬Pt催化劑作為傳統的高效催化劑被廣泛應用于催化和新能源等技術領域。從長遠來看,Pt金屬昂貴的價格、有限的儲量等因素将嚴重制約和限制其在新能源等領域的大規模應用。研究和開發能夠取代Pt等貴金屬催化劑的高活性廉價類貴金屬催化劑是國内外關注的一個重要課題。

理想的類貴金屬替代材料需要兼具豐富的電化學活性位和高的導電性。2D石墨烯納米碳材料具有比表面積大、導電性高、活性高等特點,若能優化和調控石墨烯的基面和邊位結構,充分發揮石墨烯的本征結構優勢,實現其活性和導電性的最優組合,石墨烯材料将有望成為理想的類Pt替代材料。

遼甯省“能源材料化工”創新團隊在基于納米碳材料構築類Pt功能催化劑的設計合成方法及其構效關系等方面開展了系統的探索研究,在前期工作基礎上,近期研究發展了一種調控石墨烯電子特性和表面化學特性的新策略。以室溫離子液體為化學鍵橋,采用化學接枝氧化石墨的方法成功合成了硼、氮共摻雜的石墨烯。由于空間位租效應,該方法一定程度上抑制了氧化石墨片層的π-π堆疊,與此同時,石墨烯的基面得到活化、電子結構被優化,進一步實現了石墨烯表/界面的調控。

硼原子和氮原子的協同作用,有效調變了石墨烯活性位的數量、電子結構和導電性,作為染料敏化太陽能電池對電極材料時,實現了8.08%的光電轉換效率,優于商業化的Pt鉑參比電極。成果作為封面發表在著名學術刊物Nano Energy上。這一結果有可能為低成本高性能碳基染料敏化太陽能電池對電極材料的設計與構築開辟一個新的技術途經,也為高性能二維納米碳材料的設計合成及廉價類貴金屬催化體系的研究提供了可資借鑒的新思路。

來源:大連理工大學

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