劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

自下而上法制備硫摻雜石墨烯薄膜應(yīng)用于微型超級(jí)電容器

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

在高度信息化和智能化的今日，軍民兩用類電子產(chǎn)品向著高度集成化、輕量便攜化和功能結(jié)構(gòu)一體化的方向快速發(fā)展，迫切需求發(fā)展與其配套的新型儲(chǔ)能器件。微型超級(jí)電容器具有輕量化、厚度薄、體積小、超高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和高頻率響應(yīng)而備受關(guān)注1。其中，發(fā)展高性能電極材料是實(shí)現(xiàn)高性能微型超級(jí)電容器最為重要的研究方向之一。目前，納米炭材料、金屬氧化物和聚合物是常見(jiàn)的三類典型的薄膜電極材料2。其中，金屬氧化物和聚合物具有較高比容量，但是功率密度低、頻率響應(yīng)低以及循環(huán)穩(wěn)定性差。而導(dǎo)電性好、循環(huán)穩(wěn)定高的活性炭、碳納米管和石墨烯等納米炭材料成為重要電極材料3。

石墨烯因其超薄二維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠很好與平面交叉指狀超級(jí)電容器匹配，可實(shí)現(xiàn)電解液離子沿著石墨烯平面快速遷移，電荷存儲(chǔ)最大化4。研究發(fā)現(xiàn)，一種或多種雜原子(氮、硼、硫)摻雜石墨烯能顯著提高超級(jí)電容器性能。比如，硫原子能調(diào)節(jié)石墨烯晶格中的電子排列，可改變石墨烯的電化學(xué)性質(zhì)5。邊緣處的碳硫鍵是一個(gè)重要的活性位點(diǎn)，能極大地影響電子雙電層，從而有效增加石墨烯贗電容特性。雖然氮或硼摻雜石墨烯薄膜應(yīng)用于微型電容器已經(jīng)報(bào)道，但是，以納米石墨烯為前軀體，采用自下而上精確制備出厚度均一、大面積的硫摻雜的石墨烯薄膜仍面臨很大挑戰(zhàn)6。

最近中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)浾n題組，與德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授和馬普高分子研究所Klaus Müllen教授，采用自下而上熱解法成功制備出連續(xù)、均勻、超薄硫摻雜石墨烯薄膜(SG)，并將其應(yīng)用于高比容量微型超級(jí)電容器，相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在Jou rnal of the American C hemical S ociety雜志上7。我們知道，硫環(huán)化納米石墨烯(硫環(huán)化六苯并暈苯，SHBC)經(jīng)高溫處理時(shí)，往往會(huì)熱解快速揮發(fā)，難以形成連續(xù)均勻的薄膜。該研究組創(chuàng)造性地提出利用納米金薄層的二維納米限域效應(yīng)和金催化作用，采用自下而上逐步熱解法成功制備出連續(xù)、均勻的硫摻雜石墨烯薄膜。需要指出的是，納米金薄層的存在有利于形成穩(wěn)定的硫-金鍵、以及碳-硫鍵，從而實(shí)現(xiàn)納米石墨烯主體結(jié)構(gòu)完整、硫元素均勻摻雜和薄膜厚度均一。進(jìn)一步以硫摻雜石墨烯薄膜為電極，經(jīng)微納加工技術(shù)構(gòu)建的微型超級(jí)電容器具有高體積比容量(582 F·cm?3)，優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，以及高功率密度(1191 W·cm?3)。這一研究成果開(kāi)辟了以納米石墨烯為前軀體自下而上法可控制備大面積、連續(xù)石墨烯薄膜新途徑；同時(shí)，發(fā)展了一種硫摻雜石墨烯新策略，證實(shí)了硫摻雜能顯著提高石墨烯薄膜的電化學(xué)性能。

(1)Chmiola,J.;Largeot,C.;Taberna,P.L.;Simon,P.;Gogotsi,Y. Science 2010,328,480.doi:10.1126/science.1184126

(2)Wu,Z.S.;Feng,X.;Cheng,H.M.Natl.Sci.Rev.2014,1,277. doi:10.1093/nsr/nwt003

(3)Wen,L.;Li,F.;Cheng,H.M.Adv.Mater.2016,28,4306.doi: 10.1002/adma.201504225

(4)Gao,W.;Singh,N.;Song,L.;Liu,Z.;Reddy,A.L.M.;Ci,L.J.; Vajtai,R.;Zhang,Q.;Wei,B.Q.;Ajayan,P.M.Nat. Nanotechnol.2011,6,496.doi:10.1038/nnano.2011.110

(5)Jeon,I.Y.;Zhang,S.;Zhang,L.;Choi,H.J.;Seo,J.M.;Xia,Z.; Dai,L.;Baek,J.B.Adv.Mater.2013,25,6138.doi:10.1002/ adma.201302753

(7)Wu,Z.S.;Tan,Y.Z.;Zheng,S.;Wang,S.;Parvez,K.;Qin,J.; Shi,X.;Sun,C.;Bao,X.H.;Feng,X.;Müllen,K.J.Am.Chem. Soc.2017,doi:10.1021/jacs.7b00805

Bottom-Up Fabrication of Sulfur-Doped Graphene Films for Micro-Supercapacitors

LIU Zhong-Fan
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,100871,P.R.China)

hi,L.;Müllen,K.J.Mater.Chem.2008,18,1472.

10.1039/ B717585J

doi:10.3866/PKU.WHXB201703171