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河北祥鹄科学仪器有限公司

解决方案 | XH-2008DE/XH-200A 具有低电荷转移电阻的大尺寸还原石墨烯氧化物作为不燃性高温稳定的高性能电极的研究

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【摘要】：
2018年，CHemsus Chem 杂志在线发表了北京航空航天大学科研团队在高性能电极的研究成果。该工作报道了具有低电荷转移电阻的大尺寸还原石墨烯氧化物作为不燃性高温稳定的高性能电极的研究。
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第一作者：Li Ma, qiuming gao
通讯作者：Weiqian Tian, Qiang Zhang, Hong Xiao,Zeyu Li, Hang Zhang, and Xuehui Tian
DOI:10.1007/s12274-020-2766-0
IF：7.411 一区

本文亮点

绿色可持续科技，超级电容器，氧化石墨烯、大尺寸还原氧化石墨烯、低电荷转移电阻、防火安全、高温稳定、离子液体基超级电容器
 

前言

2018年，CHemsus Chem 杂志发表了北京航空航天大学科研团队在高性能电极的研究成果。该工作报道了具有低电荷转移电阻的大尺寸还原石墨烯氧化物作为不燃性高温稳定的高性能电极的研究。

 

研发背景

大尺寸还原氧化石墨烯MRG-900-10，横向尺寸为数微米，厚度为4-6单片，通过微波间歇加热和萃取联合工艺制备。MRG-900-10具有较高的C/O摩尔比(5.89)和sp2 C含量(69.0%)，使得样品中的电子传递速度快。此外，MRG-900-10具有568.2 m2 g-1的大比表面积，增加了活性材料与电解质的接触表面积，从而提高了超级电容器电极材料中电子和离子在界面上的传输速度。MRG-900-10具有较低的电荷转移电阻（约0.36Ω）。

在6M KOH水电解液中作为超级电容器的电极材料使用时，在0.5A g-1的电流密度下，MRG-900-10具有327.6F g-1的高比容量。在100 A g-1的高电流密度下，可获得248.3F g-1的比容量，表明其具有高速率特性。而在5 A g-1的电流密度下，经过4万次循环后，可以保持92%的初始容量，说明其循环稳定性高。至于MRG-900-10对称超级电容器，在6 M KOH水溶液和1 MTEABF4/ACN有机电解质中分别获得11.0和36.2 Wh kg-1的能量密度。

重要的是，在不可燃的EMIMTFSI/ACN-80离子液体电解质中获得了68.6 Wh kg-1的高能量密度，并且超级电容器在室温至100℃的范围内都是有效的。

 

图表解析
Figure 1 制备MRG-900-10时不同微波加热时间下反应液的光学照片。
Figure 2 (a和b)不同放大倍数的SEM图像，(c)TEM，(d)HRTEM和(e)SAED图像的MRG-900-10样品。
Figure 3 (a) GO和MRG样品的XRD模式和(b)拉曼光谱。
Figure 4 MRG样品的XPS C1s光谱图
Figure 5 (a)N2吸附-解吸等温线和(b)基于DFT方法的MRG样品的孔径分布。
Figure 6 (a)三电极配置系统中6 M KOH中MRG-900-10电极的CV曲线，(b)不同扫描速率下由CV曲线计算出的MRG-x-10电极的比容量；(c)三电极配置系统中6 M KOH中MRG-900-10电极的galvanostatic充放电曲线。(d)高倍率下的Nyquist图和用于分析MRG-900-10超级电容器的EIS数据的等效电路图，以及(e)MRG-900-10超级电容器的重力容量的频率响应。
Figure 7 (a-c)静电荷/放电曲线和(d)MRG-900-10对称超级电容器在6 M KOH中以5 A g-1的恒定电流密度经过40 000次循环后的长期循环稳定性。(b)中的插图显示了在5 A g-1的电流密度下3,5000次循环后的GCD曲线。
Figure 8 MRG-900-10超级电容器在6 M KOH、1 M TEABF4/ACN和1 M EMIMBF4/ACN电解质体系中的Ragone图，并给出了最先进的碳材料的典型报道值进行比较，(b)EMIMTFSI-0、20、40、60、80和100电解质的可燃性测试，(c)以EMIMTFSI-80为电解质的超级电容器在20、40、60、80、100oC下测试和冷却至室温后的CV曲线。

全文小结

通过快速高效的间歇加热微波还原法巧妙地合成了大尺寸rGO MRG-900-10，并创造性地选择乙酸乙酯作为沉淀剂，从稳定的DMA分散体中分离出来。大量的sp2 C和较少的缺陷纳米片已被发现为MRG-900-10样品，这可能会导致样品中电子传输速度快。MRG-900-10样品具有较大的比表面积，可以增加活性材料与电解液的接触面，从而提高了超级电容器电极材料中电子和离子在界面上的传输。

MRG-900-10样品获得了较低的电荷转移电阻，这不仅可以使基于MRG-900-10的超级电容器在水性和有机电解质体系中具有较高的性能，而且还可以在离子液体电解质体系中组装超级电容器，即使电解质是高粘度和低润湿性。在优化后的离子液体EMIMTFSI-80电解液中，获得了高能量密度、消防安全性能和高温稳定性。MRG-900-10材料先进的电化学性能对于超级电容器的利用，特别是在消防安全和/或高温等极端条件下，显然是非常有价值的。

 

祥鹄科技
本文所使用产品

    XH-200A电脑微波固液相合成萃取工作站 是我公司于2008年率先研制出的首台国产微波工作站，面市十余年的时间，历经全国用户的检验，该仪器于2018年完成了全面升级，采用了最新的操作系统并更新了硬件和算法。微波相比传统加热方式可以极大地加快反应的速率，提高产率；微波的选择性加热的特点，让容易吸收微波的金属离子和极性好的基团比周围温度更高，率先发生反应，可降低整体体系对于温度的要求。仪器可连接电脑，通过上位机控制仪器，无限制记录实验参数，并进行回放。仪器配有磁力搅拌以及机械搅拌功能，可很好的适应粘稠的反应体系或者固相反应体系，大大加强体系的均匀程度。
    XH-2008DE是一款双频的超声波设备，超声波探头直接作用在反应物当中，有两个不同频率的超声波换能器便于做对比实验。其中25KHz振幅较大，40KHz振幅相对小，适用于不同粘稠度及反应量的体系，每个频率的超声波换能器均配备两个不同直径的钛合金探头（φ8mm以及φ18mm），便于不同反应剂量的实验中使用。采用双通道温度传感器，通过对冷井及反应物的温度同时测量达到精确控温，对反应物进行温度保护，并带有磁力搅拌。超声波萃取反应可在制冷或加热的环境下工作，使反应物在温度保护下进行充分的震荡，提高萃取的产率。  

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