东华大学《Carbon》：在多孔石墨烯上生长的聚苯胺纳米阵列，用于高性能超级电容器的无粘合剂和柔性凝胶电极

成果简介

与无序结构相比，具有纳米阵列结构的电极材料能有效提高超级电容器的储能能力。因此，构建纳米阵列结构是一个重要的研究方向。本文，东华大学秦宗益 研究员团队在《Carbon》期刊发表名为“Polyaniline nanoarrays grown on holey graphene constructed by frozen interfacial polymerization as binder−free and flexible gel electrode for high−performance supercapacitor”的论文，研究采用一种冷冻界面聚合法，在孔状石墨烯（HG）上生长出了聚苯胺（PANI）纳米阵列。在冰晶生长和石墨烯丰富孔隙的促进下，构建了长聚苯胺纳米阵列。

研究表明，PANI 阵列和分层纳米纤维结构的形成不仅有利于·缩短电荷传输，还能有效缓解界面副反应。此外，得益于 HG 丰富的活性位点和分层多孔结构，PANI 阵列的高定向生长、高效电荷扩散和电解质渗透得以实现。因此，比电容、可逆性和循环稳定性都得到了显著提高。特别是，在电流密度为1Ag-1时，PANI/HG-10的最大比电容为793.7Fg-¹。用凝胶电极组装的全固态柔性对称超级电容器在功率密度为 326.5W kg-1 时的能量密度为32.5Wh kg-1，并在5000次循环后保持了接近90.5%的优良循环保持率。这项工作拓展了阵列结构构建和电极制造的思路。

图文导读

图1.HG和PANI/HG复合材料冷冻界面聚合制备工艺示意图

图2.GO和HG的TEM图像、HG 的 AFM图像以及GO和HG的拉曼光谱和 XRD 图谱。

图3.纯PANI、PANI/GO-10和PANI/HG-10（上图）的SEM图像，以及PANI-HG-10（下图）的结构图和横截面图。

图4.SEM图像、傅里叶变换红外和拉曼光谱以及纯PANI、PANI/GO-5、PANI/GO-10、PANI/HG-5和PANI/HG-10的XRD图谱。

图5.电极的电化学行为

图6. (a) 凝胶电极和组装装置的示意图。(b) 所有装置在 10 mV^s-1扫描速率下的 CV 曲线。(c) 基于 PANI/HG-10 器件在不同扫描速率下的 CV 曲线。(d) 所有器件在电流密度为 1 A^g-1时的 GCD 曲线。(e) 基于 PANI/HG-10 器件在不同电流密度下的 GCD 曲线。所有器件的 EIS 光谱（f）和循环稳定性（g）。

图7. (a) 使用 PANI/HG-10 凝胶电极组装的器件在不同弯曲角度下的 CV 曲线。(b) 两个组装好的串联或并联 SC 的 GCD 曲线。串联的三个超级电容器的光学图像，为 3 个红色 LED（c）和一个计时器（d）供电。(e) 使用 PANI/HG-10 凝胶电极组装的装置的拉贡曲线图和报告作品

小结

通过冷冻界面聚合构建了一种新型独特的 PANI/HG，并将其制成了用于高性能超级电容器的无粘结剂柔性凝胶电极。系统地研究了这种独特结构的结构、形成机理和电化学性能。研究表明，在苯胺层和氧化剂层间引入 HG 作为中间层，可以促进 PANI 阵列在石墨烯片上高度定向生长，并通过 HG 的分层多孔结构提供高效的电荷传输通道。与大面积的石墨烯相比，基于 HG 的电极材料显著提高了超级电容器的比电容，并具有出色的速率容量和长期循环稳定性。在这些电极中，PANI/HG-10 的比电容最高，在 1Ag-1 时达到 793.7 F^g–¹。用凝胶电极组装的全固态柔性对称超级电容器在功率密度为 326.5W kg^-1时的最大能量密度为 32.5 Wh kg-1，5000次循环后的电容保持率高达 90.5%。这项工作有助于合理设计高容量、低成本的高性能超级电容器电极材料，以满足柔性可穿戴设备的关键需求。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119100