浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)博士生导师胡毅教授在国际著名期刊Small(影响因子15.153,中科院一区Top)上发表了题为“Localized Electron Density Regulation Effect forPromoting Solid-Liquid lon Adsorption to Enhance Areal Capacitance of Micro-Supercapacitors”的研究性论文。胡毅教授为论文的通讯作者,我校为第一完成单位。
储能系统的小型化在推进便携式能源设备和柔性电子领域发挥着关键作用。平面微型超级电容器(MSCs)由于其独特的尺寸优势、高功率密度和长循环稳定性,已成为下一代可再生能源器件最有前途的候选之一。由于器件在有限体积空间内难以负载较厚的活性材料层,导致MSCs器件整体能量密度较低,这也是其至今难以大规模应用的主要原因。团队受到染整技术中富电子纤维对带电染料分子的强化吸附作用的启发,利用纳米尺度下开放的孔径和独特的电子结构为电化学反应提供优异的传质通道和活性位点。石墨烯量子点(GQDs)具有丰富的边缘面积,独特的“边缘效应”会影响固—液界面相平衡状态。这种边缘结构具有高于平面数倍的电荷储存能力,边缘增强型电场能促进电子迁移,赋予材料更多的氧化还原活性位点。目前,GQDs大多作为额外的添加物与多种活性材料复合用于提升储能器件的电容性能,此类研究对于含氧官能团(羟基、羧基)修饰型石墨烯量子点的“边缘效应“对电化学储能的机理作用仍未得到探索。
鉴于此,课题组利用染整技术中局部电子增强对于染料分子的强化吸附作用机理,通过分步水热法将边缘具有丰富含氧官能团型石墨烯量子点均匀沉积在高导电石墨纸上,结合激光裁切技术制备图案化平面微型储能器件的策略,从电子定域函数(ELF)的拓扑分析和电子密度的角度研究了GQDs的局域电子结构。计算结果显示GQDs结构电子密度具有分布不均匀特性。全碳基柔性GP/GQDs微型超级电容器表现出超高的面积电容(21.78mFcm-2),以及超长的循环寿命(25000次循环后容量保持率为86.74%),且表现出优异的机械柔性、耐弯曲性以及集成性能。
为了探究“边缘效应”对于电容性能的影响,利用电子定域函数对GQDs分子边缘电子结构进行了计算。结果显示含氧官能团存在极大提高了材料边缘的电子密度。同时,本文通过构建Zn2+基混合超级电容器和EMIMBF4/PVDF离子凝胶液体型MSCs,展示了GQDs边缘场强强化效应对于多价金属离子和非金属离子在固-液界面的增强吸附能力。这种策略制备的柔性平面MSCs具有高度的集成化能力,能够通过并联和串联的方式提高器件的电化学性能和整体输出电压,满足电子设备的应用需求。
通讯作者简介
胡毅,教授,博士生导师。博士毕业于东华大学,浙江大学博士后,美国北卡罗来纳州立大学访问学者(CSC公派),中国纺织工业联合会纺织行业染整节能减排重点实验室主任。主要研究方向:(1)纺织品基复合纳米碳纤维膜电极、导电膜和导电墨水设计及研制;(2)柔性可穿戴储能器件、平面柔性化储能微型器件研发及应用。(3)染整节能减排配套工艺及配套助剂开发及应用;以第一作者和通讯作者在Nano Lett., Energy Stor. Mater., Small, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Inter., Chem. Eng. J., J. Membr. Sci. 等学术刊物上发表论文50余篇;第一作者授权国家发明专利25项。指导学生获“浙江省优秀硕士论文”3项,中国纺织学会“纺织优秀硕士学位论文奖”2项,浙江省“互联网+”大赛银奖2项,浙江省“挑战杯”竞赛三等奖1项,全国大学生绿色染整科技创新竞赛特等奖、一等奖和二等奖各1项。
论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202302489