纤维素诱导组装电化学剥离石墨烯气凝胶材料及其钠离子存贮性能研究

Electrochemically exfoliated graphene (EEG) is a new generation of high-quality graphene that holds great promise for the construction of energy storage materials. However, the solution processing of EEG and assembly of EEG hybrids with well-defined nanostructures have remained a major challenge. In this work,we for the first time demonstrate an approach toward the assembly of ionic-liquid functionalized EEG (IL-EEG) with cellulose into three-dimensional network structures, further develop a series of functional EEG/cellulose aerogel materials for sodium-ion storage applications. The mechanism on EEG functionalization and the assembly between IL-EEG and cellulose was discussed, and the relationship between the micro-/chemical structures of the hybrid material and there device performance in sodium-ion battery is also explored in depth.

电化学剥离石墨烯（EEG）是新兴的发展高效能源存贮材料及器件的优质基底。然而此类石墨烯的液相处理及功能材料制备，尤其通过可控组装方式制备，仍然面临诸多挑战。本项目中，申请人首次利用离子液体（IL）对剥离石墨烯的原位修饰功效，针对性地选取天然高分子纤维素来诱导并参与离子液体剥离/修饰石墨烯（IL-EEG）的液相自组装及凝胶，探索多维EEG/纤维素复合材料的普适性制备方法及材料在钠离子电池负极中的应用。深入研究纤维素诱导IL-EEG组装及凝胶的反应机制，分析多维EEG/纤维素复合材料的微观结构、化学组成与钠离子存贮性能之间的构-效关系规律。

相比传统氧化石墨烯，高质量剥离石墨烯（HQG）体现出更优越的物理化学性质，在未来新材料制备中展现出潜在应用价值。但HQG因受到液相分散性差、反应活性低、反应不可控、材料结构/性质不易调节等因素的制约，限制其广泛应用。特别地，对于HQG材料的化学自组装和材料可控制备研究甚少，相应的HQG功能材料的微观形貌、组成与材料性能之间的构-效关系规律还没有涉及。本项目中，研究人员通过对纤维素大分子实施原位化学修饰并与HQG发生界面自组装，借助纤维素分子赋予的大量亲水、高反应活性官能团，实现对HQGr表面化学特性的有效调节，最终达到提高HQG水相分散和HQG储能材料可控制备的目的。除以上通过界面修饰来改善HQG可加工利用性外，研究人员还开发出一种新型高效的通过微波辅助溶剂热法，一步原位构建基于HQG的过渡金属硫化物（TMDs）异质结构储能材料以及TMDs类合金材料（MoxW1-xS2）；同时采用原位透射电镜技术（in-situ TEM），对基于HQG异质结构的界面长效稳定充放电机制加以深层阐述。其中合成的MoS2@LEGr材料用于钠离子电池负极，在0.3 A g-1电流密度下，100次循环后容量稳定在387.3 mAh g−1，在1.0 A g-1电流密度下，容量仍保持有312.2 mAh g−1，高电容特性占比（92.8%）揭示了该MoS2材料具有优良的钠离子存贮活性。以上项目研究成果极大拓展了HQG的绿色可加工性以及化学反应活性，丰富了HQG材料的制备方法、应用途径及范围，为发展低成本、新型结构和优异性能的石墨烯功能材料奠定了基础。