曲阜师范大学《Small》：超快空气等离子体合成三维石墨烯纳米涡旋-纳米片气凝胶，用于电容去离子

成果简介

石墨烯纳米卷（GNS）是一种重要的一维管状石墨烯衍生材料，已引起广泛关注。然而，传统的制备方法普遍存在加工复杂、耗时长等问题。本文，曲阜师范大学冯媛媛教授团队在《Small》期刊发表名为“The Simpler the Better: Ultrafast Air-Plasma Synthesis of 3D Crosslinked Graphene Nanoscroll-Nanosheet Aerogels at Room Temperature for Capacitive Deionization”的论文，研究以氧化石墨烯（GO）为前驱体，提出了一种简便的空气等离子体合成策略来制备三维石墨烯纳米卷纳米片气凝胶（GSSA）。研究表明，在不使用任何化学添加剂的情况下，可在室温下于 1 秒钟内实现高效的还原-剥离-卷绕一体化过程。GNS 从二维石墨烯片 “生长 ”出来，并牢固地交联在一起，不仅为电子传输提供了捷径，还可作为固有的间隔物防止石墨烯片重新堆积。在用作电容式去离子（CDI）电极材料时，GSSA 表现出优异的除盐性能。这些发现为大规模合成高质量、高纯度的 GNS 基材料开辟了一条新途径，在 CDI 及其他领域的应用前景广阔。

图文导读

图1、a) 从 GOA 开始通过空气等离子体策略制造 GSSA 的过程示意图。b) GOA 和 GSSA 的光学照片。c) GOA、GA 和 GSSA 的 XRD 图样、d) 傅立叶变换红外光谱和 e) XPS 光谱。

图2、a) 在不同输入功率下进行空气等离子处理后的 GOA 扫描电镜图像。b-d) GA 和 e-g) GSSA 的扫描电镜和高分辨率 TEM 图像。b）和（e）中的插图分别显示了 GA 和 GSSA 的光学照片，而（f）中的插图则显示了 GSSA 中 GNS 的直径大小分布。h-j) GSSA 中 GNS 的 TEM 图像，（h）中的箭头表示石墨烯片的滚动。

图3、a) 阿基米德螺旋示意图，其中半径为 r = a + b-θ，h 为层间距离，D 为外径；b) 计算的形成能（Eform = EGNS – Eflat）与 GNS 直径的关系，c) 与（b）中标注的数据点相对应的优化 GNS 结构，d) 计算的弯曲能（Ebend）和范德华相互作用能（EvdW）与 GNS 直径的关系。

图4、a) 将 GSSA 制备成柔性独立电极的典型光学照片。b) 扫描速率为 50 mV s-1 时的 CV 曲线；c) 电流-电压曲线；d) GSSA 和 GA 电极的比电容；e) Nyquist 图；f) GA 和 GSSA 的实际阻抗 (Z’) 与角频率 (ω-1/2)。在面板 (f) 中，虚线对应于线性方程。

图5、a) NaCl 溶液的电导率变化；b) 电流响应；c) 初始浓度为 100 mg L-1 的 GSSA 和 GA 电极在不同电压下相应的 SAC、充电效率和能耗；d) 1.2 V 电压下 GSSA 和 GA 电极的 Ragone 图。e) GSSA 电极在不同初始 NaCl 浓度、1.2 V 电压下的 SAC 数据，与 Langmuir 等温线的曲线拟合。f) GSSA 和 GA 电极电池 50 次循环稳定性测试。g) 比较不同碳材料在不同初始浓度的 NaCl 溶液中的 SAC。

小结

在输入功率为 250 W 的空气等离子体处理过程中，由于等离子体中的高还原性电子、GO 脱氧时瞬间释放的气态产物以及等离子体环境中足够高的能量等因素的影响，还原、剥离和涡旋过程可以一次性完成。这种方法的有效性和高效性通过多种结构特征和化学分析得到了验证。理论计算表明，一维石墨烯纳米卷轴结构的形成存在活化能势垒，而一旦克服了这一势垒，卷轴过程就能自发进行。所获得的 GSSA 由交联的 1D-2D 异质结构形成了高度互连的三维网络，并显示出较高的优点，包括扩大的层间距离（0.395 nm）、高比表面积（428.4 m2 g-1）、优异的导电性（46.0 S m-1）、卓越的电容性能（198.7 F g-1）和快速的离子扩散（沃伯格系数为 5.2 Ω mg s-1/2）。

此外，这种材料还可直接用作氯化钠溶液中 CDI 的独立电极，其 SAC 为 16.7 mg g-1，EC 为 0.58 kWh kg-1，CE 为 95%，吸附-解吸循环稳定性极佳，远远优于之前基于 EDL 的材料。此外，GSSA 在捕获阳离子和阴离子方面表现出不同的特点。阳离子的吸附活性主要由离子电荷决定（Ca2+ > Mg2+ ≥ Na），而阴离子的吸附活性主要由离子尺寸和扩散特性决定（Cl+- > F- > SO42-）。我们认为，与其他已报道的方法相比，本研究提出的空气等离子体方法具有更简单、更环保、更快速的优点，有望降低石墨烯基材料的制备成本，从而加快其在 CDI 海水淡化以及超级电容器、锂离子或钠离子电池中的应用。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202402057