卓克垒教授，CEJ观点：乙基紫精功能化氧化还原石墨烯用于不对称离子液体基超级电容器

文 章 信 息

乙基紫精功能化氧化还原石墨烯用于不对称离子液体基超级电容器
第一作者：丰如梦
通讯作者：卓克垒*，陈玉娟*
单位：河南师范大学化学化工学院

研 究 背 景

发展新型可持续清洁能源以减少当前社会对传统石油煤炭能源的依赖尤为重要，因此需要通过储能技术来最终实现能源的可持续供给。在众多储能器件中，超级电容器因其功率密度高、充放电速率快、循环寿命长等优势而备受关注。但是，目前其应用受到的最大障碍就是其较低的能量密度。如何在保持器件高功率密度的情况下，提升其能量密度是研究的主要方向。从能量密度的计算公式出发，制备具有高比电容的电极材料进一步匹配具有宽电压窗口的电解质共同提升器件的能量密度是实验设计的主导思想。

在已报道的各种电极材料中，石墨烯因其出色的机械性能、较高的电导率和较大的比表面积等优点而成为了电极材料的优良选择。然而石墨烯作为电极材料存在两个问题：石墨烯材料容易团聚堆叠，可采取的措施是将其做成具有三位互联网状的多孔结构，这样也更有利于电解质离子的传输；石墨烯通过静电电荷吸附得到的双电层电容性能有限，针对这一问题的研究策略是引入赝电容。本研究选择具有较大单位质量比电容的芳香分子为赝电容材料，期望充分发挥石墨烯与具有赝电容活性的芳香分子在储能中的优势。通过两者的复合来获得具有高比电容的电极材料。在此基础上，选择宽电化学窗口离子液体咪唑四氟硼酸盐为电解质，期望从电极材料与电解质方面来提升器件的能量密度。

文 章 简 介

近日，来自河南师范大学的卓克垒教授，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ethyl Viologen-functionalized Reduced Graphene Oxide Composites for Asymmetric Ionic Liquid-based Supercapacitors”的观点文章。该观点文章研究了乙基紫精功能化氧化还原石墨烯复合材料在咪唑四氟硼酸盐离子液体中的储能机制，同时实现了不对称器件的高功率-能量密度。

图1. EVx-RGO的制备流程图。

图2. EVx-RGO的储能机制图。

本 文 要 点

要点一：乙基紫精与氧化还原石墨烯复合

乙基紫精作为典型的两单电子法拉第氧化还原活性分子，在液流电池中应用广泛，但存在易聚合的副反应。因此本工作将其通过静电作用、π-π相互作用和阳离子-π作用锚定在石墨烯上，避免了副反应的发生，也使得材料在充放电过程中更加稳定可逆。其中，乙基紫精在修饰石墨烯的同时还可以贡献赝电容。

要点二：功能分子的引入有效扩大石墨烯的层间距

两端为乙基的紫精分子可以有效地扩大石墨烯的层间距，结合布拉格公式计算出 RGO、EV₁₀-RGO、EV₂₀-RGO、EV₃₀-RGO 和 EV₄₀-RGO 的平均层间距分别为 3.69 Å、4.13 Å、4.11 Å 和 4.15 Å。在XRD图谱中，与 RGO 相比，EV_x-RGO（x=10~40）样品的（002）峰明显移至更小的2θ，表明 EV²⁺的引入可以有效改善石墨烯的团聚，扩大了石墨烯的层间间距，这将有利于电解质离子的快速扩散。

要点三：离子液体电解质

选用具有宽电压窗口的离子液体为电解质是增大能量密度的另一策略。相比于水系电解质，离子液体（ILs）有更宽的电压窗口（2.5~4V），且蒸汽压低，热稳定性高，作为电解质能够显著提升器件的能量密度。其中，咪唑类离子液体显示出电导率高和熔点低的优点，与阴离子BF4-结合可提供超宽的电化学稳定电压窗口，在碳基超级电容器中得到了广泛使用。

要点四：不对称超级电容器

考虑到器件形式对电化学性能的影响，非对称器件（一个电极为碳材料，另一个电极为赝电容材料或其复合材料）的组装可以利用阴极和阳极的互补电位窗口，从而实现高能量密度。EV₂₀-RGO//AC ASC 在功率密度为 888 W kg^-1时，可以提供高达 64.1 Wh kg^-1的能量密度。

文 章 链 接

Ethyl Viologen-functionalized Reduced Graphene Oxide Composites for Asymmetric Ionic Liquid-based Supercapacitors”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143693.

通 讯 作 者 简 介

卓克垒  教授    2000年博士毕业于中国科学院兰州化学物理研究所。2002年成为河南师范大学物理化学教授。目前主要研究方向为功能溶液化学、离子液体、电化学及碳基纳米材料。在离子液体、水、小分子溶剂和生物分子的相互作用、离子液体的设计与应用、超级电容器碳基电极材料的合成、电极材料与离子液体电解质的匹配等方面取得了一系列成果，以通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Electrochim. Acta, Nanoscale, Green Energy Environ, J. Phys. Chem. C, J. Chem. Thermodyn.，《中国科学-化学》等学术刊物上发表论文120余篇。

陈玉娟 河南师范大学化学化工学院副教授。目前主要研究方向为功能溶液化学、绿色介质及电化学储能。在离子液体的合成、离子液体和生物分子的相互作用及基于离子液体的超级电容器的性能研究等方面取得了一系列成果，以第一作者在J. Power Sources, Electrochim. Acta, J. Chem. Thermodyn.，《中国科学-化学》等学术刊物上发表论文14篇。

第 一 作 者 简 介

丰如梦 河南师范大学化学化工学院，硕士研究生，主要从事有机分子功能化氧化还原石墨烯负极材料的研究。