北京化工大学《PCCP》：简易三步法合成3D DRGO水凝胶，用于锌离子电容器

成果简介

锌离子电容器（ZIC）已显示出通过适当的设计打破传统超级电容器（SC）能量密度上限的潜力。然而，在开发具有优异导电性、高比电容和可靠循环稳定性的 ZIC 正电极材料方面仍存在巨大挑战。还原氧化石墨烯（RGO）具有巨大的比表面积、突出的孔隙率和三维交联结构，是碳基电极材料中极具吸引力的选择。然而，在范德华力的作用下，RGO 薄片的紧密堆叠会限制活性位点、降低比电容并增加电化学阻抗。

为了克服这些挑战，本文，北京化工大学Zenghui Qiu等研究人员在《Phys. Chem. Chem. Phys.》期刊发表名为“High-energy-density zinc ion capacitors based on 3D porous free-standing defect-reduced graphene oxide hydrogel cathodes”的论文，研究采用金属Co共催化气化反应制备了三维缺陷 RGO（DRGO）水凝胶。这种方法通过低温水热自组装策略在 RGO 水凝胶表面产生了介孔缺陷。该层表面分布广泛且均匀，可提供丰富的氧化还原活性位点、丰富的离子传输通道和快速的反应动力学。

在这项工作中，三维 DRGO//Zn表现出了宽工作窗口（0-1.8 V）、高比电容（1Ag-1时为189.39Fg-1）、出色的能量密度（960.31Wkg-1 时为 85.23Wh kg-1；17454.87W kg-1 时为 52.36Wh kg-1）和持久的循环寿命（10Ag-1 时循环 10 000 次后初始电容保持率为 98.86%）。这项研究强调了 ZIC 的装置设计，以及使用三维DRGO水凝胶作为 ZIC 的可行正极的广阔前景。

图文导读

图1 、(a) 三维 DRGO 水凝胶制备方法示意图。(b) RGO 和 (c) DRGO 的扫描电镜显微照片。(d) (c)中圆形区域的放大图。(e) RGO 和 (f) DRGO 的 TEM 显微照片。(g）（f）中圆形区域的放大图。

图2 、(a) GO/Co和DRGO水凝胶的照片。(b) RGO和DRGO水凝胶的热重分析图。(c) RGO 和 DRGO 的 XRD 和 (d) 拉曼光谱。

图3、(a) RGO 和 (b) DRGO 水凝胶的 N2 吸附/解吸等温线。(c) RGO 和 (d) DRGO 水凝胶的孔径分布。

图4 、(a) 以三维DRGO水凝胶为阴极的ZIC设备示意图。(b) DRGO 在不同扫描速率下的 CV 图。(c) 电流密度为1Ag-1 时 RGO 和DRGO的GCD图。(d) RGO 和 DRGO 的奈奎斯特阻抗图，以及相关的等效电路。(e) DRGO在不同电流密度下的 GCD 图，横轴代表比容量。

图5 、(a) DRGO 水凝胶在不同扫描速率下的 CV 图。(b) log (i) 和 log (v) 之间的拟合图。(c) 不同扫描速率下的电容和扩散贡献。(d) DRGO水凝胶电极在不同电流密度下的 GCD 图，横轴代表时间。(e) RGO和DRGO水凝胶的比电容与电流密度关系图。(f) RGO和DRGO水凝胶在 10Ag-1 条件下测量的10,000次循环寿命。

小结

总之，本研究提出了一种分两步合成三维 DRGO 水凝胶的简单方法，这种水凝胶可用作高效的 ZIC 正电极。该过程包括在 GO 胶体溶液中均匀分散金属 Co 粒子，然后通过低温水热法合成混合水凝胶。随后，对 RGO 表面的 Co 原子和 C 原子进行共催化气化，以形成图案化表面，并利用被强酸侵蚀的 Co 氧化物制备出三维 DRGO。三维 DRGO 具有优异的机械强度，可以直接压制成电极。

三维 DRGO//Zn ZIC 表现出卓越的电化学性能，具体表现为高比电容（1 A g-1 时为 189.39 F g-1）、高能量密度（960.31 W kg-1 时为 85.23 W h kg-1，17 454.87 W kg-1 时为 52.36 W h kg-1）和长循环寿命（10 000 次循环后电容保持率超过 98.86%）。优异的电化学性能可归功于通过缺陷工程在 RGO 表面实现的广泛而均匀的介孔结构分布。这种方法有效地增加了比表面积，提高了孔隙率，并在三维 DRGO 表面产生了更多的活性位点。因此，三维 DRGO 表现出更强的电子传导协同效应、更大的氧化还原反应表面、丰富的离子扩散途径和更快的化学反应动力学。此外，ZIC 的优异性能还得益于电容式正极和电池型阳极器件的设计策略，这大大提高了电化学性能。三维 DRGO 缺陷工程的创新方法和 ZIC 器件的合理设计，在快速发展的储能研究领域展示了巨大的拓展和应用潜力。这些成果可为该领域未来的研究提供新思路和新理念。

文献：https://doi.org/10.1039/D3CP05473J