近日，中國科學院合肥物質(zhì)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(jié)構(gòu)的規(guī)模化制備及其在柔性全固態(tài)超級電容器應用方面取得新進展。部分研究成果已在線發(fā)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(chǎn)品日益增長的需求，迫切需要發(fā)展柔性全固態(tài)功率源或能量儲存裝置。要想實現(xiàn)這一目的，關(guān)鍵在于設計開發(fā)出兼具優(yōu)異儲能和機械性質(zhì)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(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，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(huán)穩(wěn)定性等)尚需進一步提高。能否將上述兩類材料有效“聯(lián)姻”或耦合，從而發(fā)展出高性能的電極材料，至今仍是材料科學和化學領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)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(zhuǎn)換油胺包裹的SnS2-SnS混相納米盤前驅(qū)物的策略，巧妙地將有機分子的碳化、摻雜、相轉(zhuǎn)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(xiàn)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(tǒng)合成策略，該方法具有簡單高效、重現(xiàn)性好、可規(guī)模化制備等優(yōu)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(shù)領(lǐng)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(zhì)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(tài)超級電容器器件ASSSCs（如圖2所示），展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學儲能性能：面積比電容高達2.98 mF cm-2、優(yōu)異的長程循環(huán)穩(wěn)定性（99% for 10000 cycles）、優(yōu)秀的柔性和機械穩(wěn)定性(可反復折疊或彎折1000次以上而性能不變)，優(yōu)于報道的石墨烯、2D SnSe2和SnSe以及3D GeSe2納米結(jié)構(gòu)基柔性ASSSCs。

　　這項工作提出了原位集成和組裝2D納米結(jié)構(gòu)單元來構(gòu)建3D多孔雜化納米建筑或骨架材料的新策略，且具備規(guī)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(fā)展柔性功率源或能量儲存裝置鋪墊了道路。此外，通過優(yōu)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(xù)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(jié)構(gòu)表征

圖2. 3D摻雜石墨烯基柔性全固態(tài)超級電容器的構(gòu)建及性能測試