朱彦武课题组JACS：石墨烯离子存储机制研究取得新进展

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电化学双层电容器又称超级电容器，通过电解液离子在高表面积电极表面的可逆吸脱附来储能。由于不涉及氧化还原反应等电荷转移动力学限制，超级电容器可以在极高的充放电速率下运行，具有达百万次的良好循环能力，使得它们广泛应用于储能领域。石墨烯理论上可具有550 F/g的比容量，作为超级电容器电极材料备受关注。然而目前石墨烯基材料的性能仍远远低于预期。一方面，石墨烯的量子电容已被证明在双电层电容的建立中起着关键作用；另一方面，界面电化学是决定超级电容器储能性能的关键因素，涉及离子在电极孔道内的传输扩散、离子在碳表面的吸/脱附等过程。石墨烯-电解液界面动态电荷分离机制仍然未得到良好解决，阻碍了高性能二维或三维石墨烯电极的进一步发展。

　　近日，中国科学技术大学朱彦武课题组提出，低缺陷含量的单层石墨烯可为从理解极化作用下石墨烯界面离子吸附/相互作用提供一个优良模版：既消除了孔道离子受限效应，又不受大多数多孔碳材料中孔隙或缺陷的影响（National Science Review, 2019）。基于此，该课题组联合法国Patrice Simon课题组，采用电化学阻抗谱和电化学石英晶体微量天平系统联用，原位研究了离子液体（EMI-TFSI）电解质在单层石墨烯表面的动力学响应。研究发现，在石墨烯正极化区间，电荷储存受带正电的团簇类离子脱附主导；在负极化区间，石墨烯表面质量变化较小，显示表面离子重排效应。随着施加电势的增加，两种类型的界面响应主导着双电层的变化，导致双电层电容增加。该研究为进一步理解石墨烯-电解液界面结构以及石墨烯双电层储能提供了基础。
　　研究成果以Charge Storage Mechanisms of Single Layer Graphene in Ionic Liquid 为题发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该研究工作得到自然科学基金委、国家留学基金（CSC）项目等的支持。


      超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板，电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同，可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。


      朱彦武，中国科学技术大学教授，博导。生于1978年，中国科学技术大学化学与材料科学学院材料科学与工程系教授，博士生导师，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，获2011年度Scopus“青年科学之星”奖（材料类第五）。2000年在国防科技大学理学院取得应用物理学士学位，2003年在北京大学物理学院取得凝聚态物理硕士学位，2007年在新加坡国立大学物理系取得物理学博士学位，期间获新加坡国立大学校长奖学金和中国教育部优秀自费留学生奖。自2006年8月起在新加坡国立大学纳米科学启动项目任博士后研究员，2008年5月起在美国德克萨斯大学奥斯丁分校Ruoff课题组进行博士后研究。自2000年以来开始从事纳米材料的制备、表征和性质研究等工作， 在Science 、Advanced Materials、Nano Letters等期刊发表论文超过80篇，共被引用6000余次，单篇最高引用超过1100次，H因子为33。