研制出硫摻雜石墨烯基柔性全固態超級電容器

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所博士王奇和南京師范大學教授韓敏課題組合作，在高性能雜原子摻雜石墨烯基納米結構的規模化制備及其在柔性全固態超級電容器應用方面取得新進展。部分研究成果已在線發表于國際期刊Small上，并被選為該雜志的Inside Front Cover。

　　為滿足人們對柔性可穿戴電子產品日益增長的需求，迫切需要發展柔性全固態功率源或能量儲存裝置。要想實現這一目的，關鍵在于設計開發出兼具優異儲能和機械性質的電極材料。雜原子摻雜石墨烯以及2D層狀金屬硫化物(LMCs)納米結構的出現，為高性能電極材料的設計帶來了新的契機，但其儲能性能(能量密度、循環穩定性等)尚需進一步提高。能否將上述兩類材料有效“聯姻”或耦合，從而發展出高性能的電極材料，至今仍是材料科學和化學領域極具挑戰性的課題。

　　針對上述問題，王奇和韓敏課題組開展了合作研究，利用可控熱轉換油胺包裹的SnS2-SnS混相納米盤前驅物的策略，巧妙地將有機分子的碳化、摻雜、相轉換和自組裝等重要的物理化學過程集成于一體，首次成功實現了硫摻雜石墨烯(S-G)和SnS雜化納米片的原位合成與組裝，得到了新穎的3D多孔SnS/S-G 雜化納米建筑(HNAs，如圖1所示)。相比傳統合成策略，該方法具有簡單高效、重現性好、可規模化制備等優點，為延伸和拓展摻雜石墨烯材料在清潔能源、光電和傳感等重要技術領域的應用奠定了基礎。在三電極體系中以KOH溶液作為電解液，所得3D石墨烯復合材料質量比電容高達642 F g-1 (電流密度為1 A g-1)，遠高于近來報道的石墨烯復合物和其他電活性材料(如體相和納米級的SnS及其復合物、G-Mn3O4納米棒、G-CoS2、2D CoS1.07/N -C納米雜化體等)。

　　隨后，進一步研制出了柔性全固態超級電容器器件ASSSCs（如圖2所示），展現出優異的電化學儲能性能：面積比電容高達2.98 mF cm-2、優異的長程循環穩定性（99% for 10000 cycles）、優秀的柔性和機械穩定性(可反復折疊或彎折1000次以上而性能不變)，優于報道的石墨烯、2D SnSe2和SnSe以及3D GeSe2納米結構基柔性ASSSCs。

　　這項工作提出了原位集成和組裝2D納米結構單元來構建3D多孔雜化納米建筑或骨架材料的新策略，且具備規模化制備的前景，為今后理性設計高性能的雜化電極材料，發展柔性功率源或能量儲存裝置鋪墊了道路。此外，通過優化設計和組合，還有望延伸出其它類型的多功能3D多孔骨架材料，后續工作正在進行之中。

　　上述工作得到了國家自然科學基金、中科院合肥研究院院長基金特別支持項目的資助。

圖1. 3D摻雜石墨烯基雜化納米材料制備示意圖及其結構表征

圖2. 3D摻雜石墨烯基柔性全固態超級電容器的構建及性能測試