Nano Energy：一維石墨烯納米線&三維多孔石墨烯——“本是同根生”相容共儲能

【引言】

石墨烯一經發現，其理論力、熱、電等性能已經可輕松超越許多常規材料數倍，同時被學者也認為石墨烯是碳納米管、富勒烯等碳材料的基本組成單元，但石墨烯的很多實際應用還需要利用石墨烯組裝成宏觀石墨烯組裝體，包括一維石墨烯纖維、二維石墨烯薄膜、三維石墨烯等被學者們廣泛研究。

【成果簡介】

根據 Nano Energy官網在線發表的一條最新進展，哈爾濱工業大學李垚教授（通訊作者）、武漢理工大學麥立強教授（通訊作者）、黑龍江科技大學劉曉旭老師（第一作者）聯合新加坡南洋理工大學共同合作通過不同尺寸石墨烯的組裝，構建了多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料。該材料具有介于石墨與石墨烯之間的晶格特征，其在作為鋰離子/鈉離子電池的負極材料時，展現了介于石墨與石墨烯之間的充放電平臺，大的比容量，優異的倍率性能以及超長的循環壽命，例如其作為鈉離子電池負極材料時，在1C倍率下，1000個充放電循環后，其可逆容量仍能大于300 mAh g^-1 ，甚至在20C的倍率下（充放電時間約為6分鐘），其可逆容量仍能大于200 mAh g^-1。該全石墨烯電極材料做為石墨烯組裝體家族的新成員，有望在未來柔性輕便穿戴電極材料中一展身手。

【圖文導讀】

圖1：通過模板自組裝不同尺寸石墨烯制備柔性全石墨烯電極

介紹了一種多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體化全石墨烯柔性電極材料的合成方法。

（a）利用大尺寸石墨烯包覆在多孔鎳網上，然后利用小尺寸石墨烯與聚苯乙烯微球模板制作混合溶液滴到鎳網微孔中；

（b）在鎳網上得到多維石墨烯一體電極材料的前驅體；

（c-d）不同的退火溫度下結構演變圖，800℃退火取出模板后，刻蝕掉鎳網骨架后得到多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體化全石墨烯柔性電極材料。

圖2：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體化全石墨烯柔性電極材料的形貌

(a-d)分別為不同條件下獲得全石墨烯柔性電極材料的掃描電鏡圖，表明在適當的溶液濃度下，在800度的退火溫度下，可在三維石墨烯壁上獲得尺寸小于100納米的石墨烯納米線；

(e)為SEM元素掃描圖，可見鎳網基底對形成石墨烯納米線起決定作用。

圖3：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料的微觀結構

?(a-g)為石墨烯納米線TEM圖。結果表面，小尺寸石墨烯堆疊而產生的石墨烯納米線結構與很多石墨烯組裝體相比具有更高的結晶度，且石墨烯納米線內部還想成了一些介孔結構；

(h-k)石墨烯納米下電極材料的同步輻射小角散射表征，進一步證明了一維取向結構的存在；

圖4：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料的XPS、Raman、XRD表征

?(a,b)為全石墨烯材料的XPS圖； ? ? ? ?(c,d) 為全石墨烯材料的XPS 、Raman、XRD表征；

結果表明，石墨烯納米線結構與傳統的還原石墨烯相比具有更優異的結晶性。

圖5：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料的儲鋰特性

?(a)充放電曲線；(b)CV曲線；(c)倍率特征；(d)循環穩定性。結果表明石墨烯納米線結構儲鋰性能優于傳統的多孔還原石墨烯。

圖6：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料儲鈉特征

(a)充放電曲線； ? ? ? ? ? (b)CV曲線；

(c)倍率特征； ? ? ? ? ? ? ? (d，f)循環穩定性；

(e)電化學阻抗； ? ? ? ? ? ?(f) 碳基儲鈉綜合性能對比圖；

結果表明石墨烯納米線結構的綜合儲鈉性能優于傳統的多孔還原石墨烯，甚至超越了當下眾多全碳基鋰電材料。

【小結】

該工作通過對模板自組裝的方法構建了多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料，該結構石墨烯材料使得電子可以三維石墨烯表面及石墨烯納米線的直徑方向高速傳輸，由于石墨烯納米線是由小尺寸石墨烯堆疊而成，鋰或鈉離子可以在石墨烯納米線法向高速嵌入與脫出，可見該多維全石墨烯材料可同時提高離子與電子的傳輸，從而實現了高容量及高倍率共存的鋰/鈉離子電極體系。

文獻鏈接：?Graphene Nanowires Anchored to 3D Graphene Foam via Self-assembly for High Performance Li and Na Ion Storage（Nano Energy, ?2017, ?DOI:?10.1016/j.nanoen.2017.04.051）

【本文第一作者劉曉旭聯系方式：liu88062321@163.com】

本文由材料人新能源組 blank?供稿，材料牛編輯整理。

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