科研進展

深圳先進院成功制備三維黑磷超級電容

時間:2018-10-25  來源:醫藥所生物材料中心 溫敏 文本大小:【 |  | 】  【打印

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員課題組在黑磷電化學制備及其儲能應用領域取得新突破。相關工作"Synthesis of High-Quality Black Phosphorus Sponges for All-Solid-State Supercapacitor"(高質量黑磷海綿的制備及其在全固態超級電容器中的應用)發表于化學材料領域的權威刊物Materials Horizons DOI: 10.1039/c8mh00708j, 影響因子13.183)。論文共同第一作者是課題組博士后溫敏和研究助理劉丹妮,通訊作者是喻學鋒研究員。 

  作為一種新型的二維層狀材料,黑磷近年來被廣泛應用于物理、化學、材料科學等領域。其比表面積大、載流子遷移率高、機械強度好的特點使黑磷在能量儲存與轉換領域引起了廣泛關注。以二維片層材料為基元構筑三維結構被普遍認為是提升材料儲能性能的有效途徑。然而,二維黑磷對空氣、水以及氧化劑的敏感性給三維黑磷結構的構筑帶來的巨大的挑戰。因此,研究一種有效的方法構筑性能優異的新型三維黑磷結構,具有重要的科學意義和應用前景。 

  在本研究中,該課題組通過電化學方法實現了三維黑磷海綿的高效、高質量制備。制備方法簡單、快速,在常溫常壓的空氣環境中即可完成,時間僅需3分鐘(圖1)。科研人員通過設計電解池的結構,選擇尺寸合適的插層離子、抗衡離子及電解液體系,克服了黑磷制備經常面臨的耗時長、易氧化、片層易斷裂等問題,成功制備了高質量、半交聯的三維黑磷海綿。掃描電鏡、拉曼光譜、X-射線光電子能譜、透射電鏡、原子力顯微鏡以及理論模擬結果均顯示該三維黑磷海綿由超大、超薄、未氧化的高質量二維磷烯基元組成,其中不乏單層磷烯的存在,這些磷烯基元半交聯在一起形成了三維的黑磷海綿(圖2)。科研人員以此三維黑磷海綿為電極材料制備了全固態超級電容器,展現出了優良的超電容性能和穩定性。10 mv/s掃速下,電容器的比電容量達到80 F/g,遠高于以二維黑磷納米片和塊狀黑磷為電極材料的電容器。在經過15000個充放電循環后,容量僅衰減了20%(圖3)。 

  該研究工作得到了中國科學院前沿科學研究重點計劃國家自然科學基金、香港研究資助基金等項目的資助。

  論文鏈接

1.三維黑磷的制備過程示意圖

2. 三維黑磷的掃描電鏡圖(a,b);三維黑磷和塊體黑磷的Raman圖譜(c)XPS圖譜(d)

3.全固態超級電容器的制備示意圖(a),不同掃速下的cv曲線圖(b),比容量隨掃速的變化曲線圖(c)GCD曲線圖(d),穩定性測試曲線圖(e)

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