石墨烯基复合无纺布的可控组装及其柔性超级电容器研究

Graphene exhibits remarkable potential in flexible supercapacitors because of its excellent conductivity, high theoretical specific surface area and good mechanical properties. However, there are still thorny problems in practical applications of graphene-based materials, such as complex preparation processes, serious stacking between graphene layers, low real specific surface area, inadequate utilization of active sites and unsatisfactory performance of flexible devices. Based on the research experience on wet-spun graphene-based flexible materials, the applicant of this project proposes to use transition metal ions as the cross-linking agents during the wet-spinning process. Graphene-based transition metal compound (TMC) flexible fibers can be prepared by the following treatments of chemistry and heat. After the wet-fusion process to assemble hierarchical nonwoven fabrics, flexible supercapacitors with high energy density will be achieved. This is a new, efficient, convenient, time-saving, cost-effective and scalable method for preparing graphene-based composite materials for flexible supercapacitors. The purpose of this project is to explore the crystallization mechanism of TMC nanoparticles in confined layers, reveal the interaction between graphene, TMC and electrolyte, and optimize the performance of TMC in hierarchical structures of nonwoven fabrics. This project will provide theoretical and practical basis of graphene-based TMC nonwoven fabrics for flexible supercapacitors.

石墨烯具有导电性高、理论比表面积大以及力学性能优异等特性，在柔性超级电容器中具有重大的应用前景。然而，目前石墨烯基材料仍面临着制备工艺复杂、自堆叠严重、比表面积不高、活性利用低、柔性器件性能差等关键问题。本项目基于申请人在湿法组装石墨烯基柔性材料研究的基础上，提出利用过渡金属离子交联氧化石墨烯以组装纤维，利用化学以及热处理等方式使石墨烯层间原位生长过渡金属化合物纳米粒子，并通过纤维间溶胀-融合的作用获得石墨烯基复合无纺布，最终制备具有高能量密度的柔性超级电容器。这是一种制备石墨烯基柔性超级电容器复合电极材料的高效、便捷、快速、节能、可规模化的新方法。本项目旨在探究过渡金属化合物纳米粒子在限域条件下的形成机制，分析石墨烯、过渡金属化合物以及电解液之间的相互作用，优化过渡金属化合物在复合无纺布多级结构上的性能表达，为石墨烯基复合无纺布柔性器件提供理论依据与应用基础。

石墨烯基杂化材料在理论上具有很多优异的性质，在柔性超级电容器等可穿戴电子器件中具有广阔的应用前景。然而其受限于石墨烯固有的层间强相互作用以及活性物种的自发聚集生长等因素，在实际应用中比表面积不高、力学柔韧性不足、活性位点难暴露、器件性能较差。本项目针对目前面临的科学与技术瓶颈，提出利用氧化石墨烯的湿化学特性进行宏观自组装，制备以柔性纤维为基础的高性能宏观材料，从而获得实用化的新型电子器件。依据本项目的总体构想与设计思路，负责人基于水相中氧化石墨烯与相关金属离子的静电相互作用，在湿法组装中引入各种类型的活性材料进行有序复合，并通过相关参数的设置精确控制所制备的组装体，平衡材料导电性与活性的关系，最终使制备的碳基杂化材料获得良好的综合性能。目前，负责人基于本项目完成了一些相关工作，已经发表的包括：石墨烯基杂化微纤维，作为锂离子电池负极在200 mA g-1下具有580 mAh g-1的比容量；石墨烯基杂化多级微米花，其在ORR反应中具有近似四电子途径的选择性；石墨烯基柔性多孔宏观纤维，其作为一维柔性压敏电极具有高达1127的灵敏度系数；碳基柔性取向宏观纤维，其搭接的无纺布具有双向压敏响应特性；石墨烯基微米刷组装阵列，其作为锌金属的保护层与引导层能使电极具有超过1600小时的使用寿命。另外还有三个工作正在投稿当中，均为石墨烯基复合宏观膜及无纺布的湿法制备，及其柔性超级电容器应用。此外，基于本项目，负责人以第一发明人获得了5项国家发明专利的授权，旨在推动石墨烯基湿法组装材料的市场化。本项目发展了以功能化为目标导向的改进型湿法纺丝技术，研究了内外微纳结构精细调控、局部化学组成与相互作用、多级结构界面响应行为、限域电化学过程特征等关键问题。接下来，负责人将以此为基础，重点推进石墨烯基无纺布的电化学研究，以超级电容器为主发展高性能柔性储能器件，为石墨烯基复合材料的实用化提供理论与实践参考。