Nano Res.[能源]│齐齐哈尔大学张永团队纳米纤维素/氮氟共掺杂石墨烯复合水凝胶用于高性能超级电容器

背景介绍

石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，具有优异的导电性、超高的比表面积和良好的物理、化学稳定性。这些特性使得石墨烯非常适合作为超级电容器的电极材料。近年来，石墨烯基电极材料表现出较高的质量比电容和较大的质量能量密度。然而，由于其较小的堆积密度，这些石墨烯材料的体积比电容相对较低，这严重的降低了其实际应用的潜力。为了提高石墨烯电极材料的体积电化学性能，研究人员开发了许多提高其堆积密度的技术，如机械压缩法和毛细管压力法等。然而，这些方法制备的石墨烯基电极材料往往具有较低的比表面积和大量堵塞的孔结构。上述缺点使得电解液难以充分浸润电极材料，会大大降低其体积电化学性能。此外，纯石墨烯表面缺乏赝电容活性位点，导致其无法存储足够多的能量。因此，一些研究试图通过制备石墨烯基复合材料来改善其体积性能。然而，这些复合材料中的赝电容成分大多为电池电极材料，完全不能满足超级电容器对倍率性能和使用寿命的要求。

成果简介

张永团队以氟化铵为杂原子源，通过简便的水热法制备了纳米纤维素/氮氟共掺杂石墨烯复合水凝胶(NC-NFGHs)材料。他们利用纳米纤维素(NC)和高浓度氧化石墨烯(GO)调节NC-NFGHs的结构，有效地提高了其堆积密度。因此，基于NC-NFGH-80的水系对称型超级电容器在0.3 A g^–1时表现出了超高的质量比电容(286.6 F g^-1)和体积比电容(421.3 F cm^-3)，良好的倍率性能和优异的循环稳定性。此外，基于NC-NFGH-80组装的全固态柔性超级电容器(ASSC)在0.3 A g^-1下也展现出了较大的比电容(117.1 F g^–1)和较长的使用寿命。他们的研究为石墨烯基超级电容器的实际应用提供了新的思路和技术。

图文导读

图1 NC-NFGHs的制备过程

图2 样品的XPS图谱

图3 样品的形貌表征

图4 水系超级电容器的电化学性能

图5 全固态柔性超级电容器的电化学性能

作者简介

张永，齐齐哈尔大学材料科学与工程学院副教授，2017年毕业于哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料学专业，获工学博士学位。主要从事石墨烯基功能材料的设计合成及电化学性能研究，在J. Power Sources、Electrochim. Acta、Int. J. Hydrogen Energy等电化学top期刊发表论文20多篇。

文章信息

Zhang Y, Zhou Q, Ma W, et al. Nanocellulose/nitrogen and fluorine co-doped graphene composite hydrogels for high-performance supercapacitors. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5736-5.