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【读博】石墨烯往事(8):超级电容皮带与小师弟
令狐小冲 2015-11-22
导语

小编:一个博士生与石墨烯不得不说的故事,一段真实的博士生科研路!

在超级电容方面的研究工作中,我一直都觉得不太满意,所以在做博士论文的时候还一边继续推动这方面的实验进展,后来离开学校了也会询问导师实验和文章方面的进展。因此严格意义上讲,这项工作是我博士生阶段的收尾工作。

最早自学超级电容用于三维石墨烯凝胶的对称超级电容器,后来也指导过师妹做不对称石墨烯超级电容器的工作。虽然三维石墨烯可以直接作为整体式电极组装电池进行测试,不需要加入额外导电和粘结添加剂,但是其中存在两个明显的缺点:1.尽管整体式石墨烯可以直接作为活性电极使用,但是它的加工性能是受限的,没办法和现有的工艺直接对接,并且颗粒本身容易碎裂脱落。2.三维石墨烯本身虽然有优秀的孔隙结构,但是本身密度低也制约了最终电容的体积比容量和体积能量密 度,这使得该材料基本上只能用于概念性的研究而实际应用价值很低。

除此之外,在早期三维石墨烯超级电容器的研究中我们发现用石墨烯水凝胶测试的数值远比干燥后的石墨烯气凝胶要来的大。当时有种感觉就是三维石墨烯中存在的水能很好的维护其中的孔隙结构,但是还没有上升到“离子通道”这个概念上来。当时澳大利亚的李丹老师课题组在AM上发表过抽滤法制备湿的石墨烯薄膜用于超电容测试,发现效果比干态的石墨烯薄膜要好得多,起初他用了一个仿生材料的概念。后来,他们又重新设计了这个实验,用离子液体和浓硫酸等不易挥发的液体保留在石墨烯片层间,得到了高体积能量密度的石墨烯电容。这个工作发表在2014年的《Science》上,在这项研究中他把离子通道的概念进行了详细的阐述 并解释了高容量石墨烯电容器的结构要求。

当时在做电化学还原的我,想着要在应用方面做些突破,自然而然就想到了电化学还原石墨烯在超电容方面应用的可能性。基于我当时对离子通道的理解,我对电化学原位还原GO电极作为超电容电极还是有几分把握的。为什么这么说呢?因为在氧化石墨烯的还原过程中除了电子的传递外,实际上还涉及到离子的传递,换句话说,原位还原过程中的离子通道可以非常方便的用于超电容中的双电层离子的迁移,简直就是量身定做的!还有一条有趣的创新点就是直接将氧化石墨烯电极可以在超电容的电解液中还原,既是电解池也是电池电解液,方便直接组装成电池。

图1.电化学原位组装超电容电极

实验也证明这种原位电化学法加工出的电极确实比烘干后的材料有优势,并且相比之前三维石墨烯,我们用GO的涂膜层来替代,不论是电极机械强度、电容体积密度抑或是加工方法的普适性,都比以前三维石墨烯材料要有优势的多。在此基础上,我们又结合时下比较热门的“可穿戴”设备题材,以金属网作为集流体骨架制成超电容腰带,应该说这还是一个相当不错的发展方向。

图2.皮带式的可穿戴超电容模型与未来构想

这项工作在最近整理完成发表在《Nanoscale》上,对超电容有兴趣的同学可以去围观下。

由于当时忙着准备毕业论文和工作等诸多杂事,很多实验都是指导师弟去进行的,结果意外发现一个科研好苗子。

这里要花点笔墨讲我的这位师弟小宇,小宇是我们系一位本科生,有点小胖,很憨厚,性格好的真心赞。他一开始跟我做氧化石墨烯薄膜方面的探索,有时候他会持续个把小时盯着泡泡膜在琢磨,所以我果断得出结论——他有科研潜质。为什么呢?如果能够长时间的观察一个实验,那么说明他的观察力和想象力很优秀,他肯定是有思考的,反正他不可能在那发呆或者是睡着吧?(想我当初就是经常这么过来的,呵呵,自夸下。)并且他还能够提出自己的看法或者是尝试的一些想法;研究内容从传感器到电池领域,展现了优秀的自学能力。总之,就是很靠谱的科研新生力量。

所以有时候觉得很有趣,在我即将离开实验室的时候能看到仿佛当年自己刚进实验室时好奇探索的情景,这或许就是一种缘分吧。师弟想出国深造,这大概是科大绝大多数本科生的想法了(虽然我和导师从情感上都想要挽留他,但也发自内心地希望他能有个更高的平台)。对于锂电池方向很感兴趣,2015年可能会申请国外相关方向的课题组,如果恰好有这方面课题组,并且准备招人的话不妨跟他聊聊,我还是强力推荐的,可以跟我联系。                            

(未完待续......)

本文原创,作者陈武峰博士,授权发布,如要转载,请注明e科网!

(陈武峰博士,中国科技大学合肥微尺度国家实验室博士毕业,目前创业于昂星科技http://www.ashine.org/,隶属于盘固集团,研发并辅助新项目投资)


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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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