二维黑磷对空气、水以及氧化剂的敏感性给三维

 电容器新闻     |      2018-10-29 15:38

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  《中国科学院院刊》(中文版)是中国科学院主办的以战略与决策研究为主的科技综...

  《科学通报》是自然科学综合性学术刊物,力求及时报道自然科学各领域具有创新性...

  覆盖数学、物理、化学、生命科学、地球科学、信息科学、技术科学与天文学等学科...

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组在黑磷电化学制备及其储能应用领域取得新突破。相关工作Synthesis of High-Quality Black Phosphorus Sponges for All-Solid-State Supercapacitor(《高质量黑磷海绵的制备及其在全固态超级电容器中的应用》)发表于化学材料领域刊物Materials Horizons(DOI: 10.1039/c8mh00708j)。论文共同第一作者是课题组博士后温敏和研究助理刘丹妮,通讯作者是喻学锋。

  作为一种新型的二维层状材料,黑磷近年来被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。其比表面积大、载流子迁移率高、机械强度好的特点使黑磷在能量储存与转换领域引起了广泛关注。以二维片层材料为基元构筑三维结构被普遍认为是提升材料储能性能的有效途径。然而,二维黑磷对空气、水以及氧化剂的敏感性给三维黑磷结构的构筑带来巨大的挑战。因此,研究一种有效的方法构筑性能优异的新型三维黑磷结构,具有重要的科学意义和应用前景。

  在该研究中,课题组通过电化学方法实现了三维黑磷海绵的高效、高质量制备。制备方法简单、快速,在常温常压的空气环境中即可完成,时间仅需3分钟(图1)。科研人员通过设计电解池的结构,选择尺寸合适的插层离子、抗衡离子及电解液体系,克服了黑磷制备经常面临的耗时长、易氧化、片层易断裂等问题,成功制备了高质量、半交联的三维黑磷海绵。扫描电镜、拉曼光谱、X-射线光电子能谱、透射电镜、原子力显微镜以及理论模拟结果均显示该三维黑磷海绵由超大、超薄、未氧化的高质量二维磷烯基元组成,其中不乏单层磷烯的存在,这些磷烯基元半交联在一起形成了三维的黑磷海绵(图2)。科研人员以此三维黑磷海绵为电极材料制备了全固态超级电容器,展现出了优良的超电容性能和稳定性。10 mv/s扫速下,电容器的比电容量达到80 F/g,远高于以二维黑磷纳米片和块状黑磷为电极材料的电容器。在经过15000个充放电循环后,容量仅衰减了20%(图3)。

  该研究工作得到中科院前沿科学研究重点计划、国家自然科学基金、香港研究资助基金等的资助。

  图2.三维黑磷的扫描电镜图(a,b);三维黑磷和块体黑磷的Raman图谱(c)和XPS图谱(d)

  图3.全固态超级电容器的制备示意图(a),不同扫速下的cv曲线图(b),比容量随扫速的变化曲线图(c),GCD曲线图(d),稳定性测试曲线图(e)