用于储能系统的介孔石墨烯的简单方法

石墨烯是一种适用于电双层超级电容器（EDLC）的活性物质，因为它具有高电导率和轻质成分。然而，对于许多新型储能应用，需要多孔配置来最大化石墨烯的比能量密度。

研究：Soft Template-Assisted Fabrication of Mesoporous Graphenes for High-Performance Energy Storage Systems. 图片来源：Neon_dust/Shutterstock.com

最近发表在ACS Applied Materials & Interfaces杂志上的一项研究提出了一种制造介孔石墨烯的简单策略，并应用于高性能储能系统，如双电层超级电容器（EDLC）。

双电层电容器 （EDLC）：概要与挑战

由于在许多工业部门（如运输）中迫切需要取代化石燃料，储能系统最近受到高度重视。在这种情况下，双电层电容器（EDLC）因其高能量密度和出色的循环稳定性而成为重要的储能系统。

然而，由活性炭（AC）制成的传统储能系统由于比接触面积不足而具有较差的功率密度，导致电极材料和电解质之间未充分形成双电层。

因此，必须开发具有高比接触面积的活性物质，以获得高能量密度并满足新型储能系统的需求。

以前的研究试图创造高表面积的碳基化合物，如高度多孔的结构碳，用于储能目的。然而，传统的碳基材料具有低电导率，导致功率密度低，循环稳定性差。

用于储能应用的介孔石墨烯

石墨烯因其卓越的电导性而被视为潜在的碳质材料。然而，石墨烯片之间的高范德华接触使得堆叠不可避免，产生有限的可用表面积。

这种固有的石墨烯缺点可以通过添加三维（3D）多孔微观结构来克服，这增加了可用的表面积，同时保持了有益的电性能。

由此产生的材料称为介孔石墨烯，结合了石墨烯，超薄2D形态和介孔结构的优点，显着提高了双电层电容器（EDLC）等储能器件的功率和能量密度。

一些研究小组已经尝试使用催化模板辅助技术合成3D介孔石墨烯。然而，由于挥发性催化模板，孔径和接触面积相当高。因此，开发一种有效的技术来合成具有高能量密度EDLC的高接触面积的3D介孔石墨烯仍然是一个主要挑战。

研究人员在这项研究中做了什么？

在这项研究中，研究人员通过使用嵌段共聚物（BCP）来构建介结构活性模板和碳资源，从而创建了3D介孔石墨烯。将两亲性聚苯乙烯嵌段聚（2-乙烯基吡啶）共聚物（PS-b-P2VP）在加热乙醇中膨胀，然后脱水以形成介结构模板。

化学镀通过在P2VP层上选择性地沉积镍前驱体作为石墨烯催化剂来产生反应模板。

有趣的是，介孔石墨烯的高孔结构即使在高温下也能在催化分解过程中成功保存下来，因为PS-b-P2VP复合材料的机械弹性足以作为刚性增强并抑制镍催化剂聚集。

利用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等尖端技术研究了制备的介孔石墨烯的表面。使用巴雷特-乔伊纳-哈伦达（BJH）技术计算了介孔石墨烯颗粒中吸附和解吸支链的孔径分布.

研究的重要亮点

介观结构模板在高温催化分解中没有结构失效，从而可以合成孔径为3.5纳米的介孔石墨烯。制备的介孔石墨烯具有双连续形状，石墨烯组装成具有大接触面积的3D介孔。

较大的比接触面积和较小的孔径允许相当数量的电解质进入介孔石墨烯。此外，介孔石墨烯片中的导电通路导致了高效的界面电子转移。

当利用介孔石墨烯和离子流体作为电极材料和电解质时，所得的EDLC表现出高电压性能和显着的能量储存效率，包括高比电容，高功率密度和良好的循环稳定性。

这些发现表明，介孔石墨烯可能是一种有前途的碳材料，用于制造高性能电解储能系统。

参考

Kim, K.-W. et al. (2022). Soft Template-Assisted Fabrication of Mesoporous Graphenes for High-Performance Energy Storage Systems. ACS Applied Materials & Interfaces.

链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12948