刘忠范院士/孙靖宇教授ACS Nano综述:直接生长石墨烯材料在电化学储能领域的应用:缘起、现状与展望

* 来源: 先进碳材料与可穿戴能源实验室 * 作者: * 发表时间: 2022-08-08 * 浏览: 465

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       在新兴储能领域,石墨烯由于其优异的化学稳定性和良好的电导率备受关注。目前所用的石墨烯材料大多依赖液相剥离法和还原氧化石墨法制备,其均匀度、层数、杂原子掺杂度大多不可控、电导率不高;且碳质量占比较高,影响电化学容量发挥及器件能量密度。而化学气相沉积直接生长技术(direct-CVD)能够实现功能衬底及特种载体上石墨烯的无转移制备,具有石墨烯保形构筑和精准调控的特点;通过牺牲模板策略还可以实现新结构石墨烯粉体的创制,利于电荷/物料的协同输运,因而在能量存储、催化转化等领域具有较大的应用潜力。

       基于此,苏州大学能源学院、苏州大学——北京石墨烯研究院协同创新中心的刘忠范/孙靖宇研究团队近期在ACS Nano上发表题为“Direct-Chemical Vapor Deposition-Enabled Graphene for Emerging Energy Storage: Versatility, Essentiality, and Possibility”的综述论文,系统解耦了direct-CVD-enabled石墨烯在储能领域的多面手角色,深入揭示了其在离子存储、锂硫催化和金属负极保护三个储能体系示例中的构效关系和作用机制,并从基底选择、方法优化和器件构筑等角度对今后的重点研究方向进行了展望,最后绘制了石墨烯在绝缘衬底上直接生长的技术发展路线图。论文的第一作者为苏州大学能源学院2019级硕士研究生史子雄(现为KAUST 2022级博士研究生);刘忠范院士和孙靖宇教授为通讯作者。

图一:Direct-CVD-enabled石墨烯应用于新兴能源存储总结图。


背景介绍

       石墨烯的高效开发与实际应用是当前国家重大需求及世界科技前沿。然而,此领域仍然存在诸多挑战。制备决定未来,面向能源应用的石墨烯材料的可控制备一直受到学界和业界的热点关注。Direct-CVD技术可以实现纳米电极材料上石墨烯层的原位构筑,回避石墨烯剥离转移难题的同时也解决了支撑衬底问题。亦可利用模板辅助法实现新型石墨烯微纳结构的批量制备,并易实现对缺陷和掺杂的精准调控以及面向能源器件活性/非活性组件的灵活设计。

       近年来,苏州大学能源学院刘忠范/孙靖宇团队基于在非金属衬底上可控生长石墨烯的前期积累,依托北京石墨烯研究院、北京大学等先进平台,在石墨烯新材直接创制及能源器件探索方面取得系统性原创成果(Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwab169; Adv. Mater. 2022, 34, 2202902; Adv. Funct. Mater. 2022,32, 2200428; Sci. Adv. 2021, 7, eabk0115; Adv. Mater. 2021, 33, 2105951; Adv. Funct. Mater. 2021,31, 2100586; Adv. Mater. 2020, 32, 2003425; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001161; ACS Nano 2019, 13, 7517; Adv. Mater. 2018, 30, 1800963)。


文章解析

要点一详解direct-CVD石墨烯的生长方法、独特优势与广泛应用,旨在加强对其技术本质的理解。提出了direct-CVD石墨烯在新兴储能领域的多面手角色:modificator, cultivator, defender和decider。全面总结了各种角色对应的最新研究进展,重点分析了其主要特点和面临挑战,从而阐明了direct-CVD石墨烯的多功能性。

表一:direct-CVD石墨烯应用于新兴能源存储的四种角色及其对应的示意图、特殊优势和主要挑战。


要点二:揭示了direct-CVD石墨烯在离子存储、锂硫催化和金属负极保护三个储能体系中的构效关系和作用机制,比较了不同角色direct-CVD石墨烯的形貌与结构特征,并讨论了其在不同储能体系中的具体用途。结合一系列电动力学测试、理论计算模拟以及原位表征分析,解析了direct-CVD石墨烯介导的电化学反应过程和性能优势。

图二:多功能direct-CVD石墨烯应用于三种新兴能源存储领域示例。


要点三:从基底选择、方法优化和器件构筑三个角度对今后的重点研究方向进行了展望,旨在指明direct-CVD石墨烯的生长基底选择的广阔发展空间,优化反应过程从而实现对于需求导向的石墨烯材料的可控生长,最终构筑低成本高性能的能源器件。


图三:direct-CVD石墨烯在能源存储研究方向展望。


要点四从需求牵引目标、材料关键指标和制备装备开发三个方面绘制了石墨烯直接生长的技术发展路线图,并期望瞄准特种应用场景,设计从特色到主流的direct-CVD石墨烯材料,最终实现direct-CVD石墨烯的规模化制备与杀手锏应用。

图四:direct-CVD石墨烯的发展路线图。


总结与展望

       我们系统总结了direct-CVD石墨烯在储能领域的多面手角色,深入揭示了其在碱金属离子存储、锂硫催化和金属负极保护三个储能体系示例中的构效关系和作用机制,并绘制了石墨烯在绝缘衬底上直接生长的技术发展路线图。该综述论文以期为direct-CVD石墨烯的材料生长、器件设计和机制理解提供新思路。

图五:direct-CVD石墨烯的现存挑战、针对策略及应用目标。


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