斯威本科技大学《Small》：低成本和一步闪蒸工艺超快（毫秒内）制备高性能石墨烯/MnO电极

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成果简介

能量存储应用非常需要生产超过 550 F g -1纯石墨烯材料理论极限的高电容电极，但工艺简单的情况下仍然是一个挑战。本文，斯威本科技大学研究人员在《Small》期刊发表名为“Flash-Induced Ultrafast Production of Graphene/MnO with Extraordinary Supercapacitance”的论文，研究通过理论分析指导反应条件的合理设计，提出并证明了通过低成本和一步闪蒸工艺超快（毫秒内）制造高性能石墨烯/MnO电极。

这种简单的方法可以同时实现高质量的多孔石墨烯网络和嵌入赝电容活性 MnO 纳米材料的有效合成。由于 MnO 纳米针在 3D 石墨烯网络上的高密度和均匀分布，超高电容（高达 1706 F g -1证明了基于电极质量和 2150 F g -1仅基于 MnO 质量）。功能性超级电容器原型进一步说明了所制造的电极在能量存储、传感和催化剂方面的广泛潜在应用。

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图文导读

图1、GO/MnO 2通过还原气体的共还原过程示意图

图2、与时间相关的 a) 温度变化和 b) 独立式 GO、0.5M6GO、3M6GO、6M6GO 和 6M3GO 薄膜在闪蒸还原过程中的压力变化。c) H 2和d)上述样品的CO气体的Knudsen扩散通量。e)上述样品中产生的、完全还原MnO 2所需的和Knudsen扩散后剩余的还原气体的比较。

图3、a) MnO 2纳米针的SEM图像。b,c) 6M6G 在不同放大倍数下的 SEM 图像。d) 6M6G 的元素映射（C Kα1、O Kα1 和 Mn Kα1）图像，比例尺为 20 µm。e) 6M6G 的 TEM 图像，插图显示了 6M6G 的相应 SAED 图案。f) 6M6G 的 HRTEM 图像。

图4、a) 所有还原样品的 XRD 图案。b) 6M6G 的 C1s 峰的 XPS 分析，c) 6M6G 的 Mn3s 峰，和 d) 6M6G 的 Mn2p 峰。e)来自 C1s 峰的每个样品的碳与氧化物键比（左）和 C  C 键比（右）的比较。f)每个样品的Mn2p 峰（左）的 Mn 2+与 Mn 4+比率的比较以及与 Mn3s 峰的峰分离 Δ E (Mn3s)（右）。

图6、a）frGO//6M6G非对称SC器件在不同扫描速率下的CV曲线。b) frGO//6M6G 非对称 SC 器件的奈奎斯特图，插图显示了奈奎斯特图的高频区域和拟合的等效电路。c) frGO//6M6G 比电容，插图说明了非对称 SC 器件的配置。d) frGO//6M6G 在 25 A g -1的超大电流密度下重复充电/放电时的循环稳定性，插图表明 frGO//6M6G 纽扣电池能够点亮 LED 单元。e) frGO//6M6G 的 Ragone 图与参考文献的比较

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小结

总之，在还原气体充足的条件下，通过简便且简单的闪蒸还原工艺制备了高电容 frGO/MnO 电极。这样的过程在几毫秒内同时实现了高质量的 GO 还原和从 MnO 2到 MnO 的完全转化。生产的 MnO 纳米针很好且均匀地锚定在导电和多孔的 frGO 网络上。这种独特的结构赋予电极非凡的电容 (1706 F g -1 )，超出了 MnO 和原始石墨烯的理论限制。当组装成非对称 SC 器件时，可在 598.8 W kg -1的高功率密度下实现高达 59.9 Wh kg -1的高能量密度。 这种生产高性能 frGO/MnO 电极的独特方法不仅揭示了基于 MnO 的储能装置的有效的一步生产，而且为用于不同应用的掺杂石墨烯材料的简便和低成本制造提供了方向，如燃料电池、传感器和催化剂。

文献：

https://doi.org/10.1002/smtd.202100225