胡良兵教授Acc. Chem. Res.：多孔石墨烯，引领电化学储能的新风尚！

2023-04-07 13:22:38 来源：材料人

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简介：多孔石墨烯(hG)是石墨烯的一种结构衍生物。在大多数体相制备方法中，hG片上的孔优先由石墨烯（新能源材料分析检测技术产学研合作高峰论坛）上已有的缺陷产生。因此，hG并不一定比完整的石墨烯更有缺陷。一方面，它保留了石墨烯基本的性质，包括高导电性、高表面积、机械鲁棒性和化学惰性；

【导读】

多孔石墨烯(hG)是石墨烯的一种结构衍生物。在大多数体相制备方法中，hG片上的孔优先由石墨烯上已有的缺陷产生。因此，hG并不一定比完整的石墨烯更有缺陷。一方面，它保留了石墨烯基本的性质，包括高导电性、高表面积、机械鲁棒性和化学惰性；另一方面，其孔洞结构赋予了hG在未修饰石墨烯中所不具有的独特特性，使其在许多应用中具有优势，如传感、膜和电化学储能等。特别是，孔洞的存在增强了纳米片平面的质量传输，从而显著降低了弯曲度。这一差异是在储能应用中使用hG的一个关键优势，当电极厚度增加以满足实际能量密度要求时，离子通过厚度的传输变得更加阻碍。

一个意想不到的发现是，hG上的孔可以使干hG粉可以直接被压缩成坚固的整体。hG不仅本身被压成一个整体，而且可以作为可压缩基质容纳其他电化学活性材料。这一重要而独特的特性，是包括完整石墨烯在内的其他碳材料所不具备的，极大地拓宽了储能应用领域。利用干压缩性，可以方便地制备具有超高质量负载和超高面积容量的电极，而不需要传统的浆料基电极制备方法中所涉及的有毒溶剂或粘合剂。干压电极制备过程可以在几分钟内完成，不受质量负载的限制。相比之下，用于先进电池化学材料的高质量负载电极通常需要严格和耗时的过程控制。hG还可以与电化学活性电池材料结合，同时保持干压缩性。这使得对各种厚电极组成和结构的操作变得前所未有的方便，这不仅提供了卓越的性能，而且还为各种电池化学提供了新的物理见解。

【成果掠影】

近日，马里兰大学胡良兵教授和NASA兰利研究中心Yi Lin等人发表了评述性论文，首次提出了hG干压缩性的一些基本观察，以及从原子建模的机理研究合理化这一独特的性质。然后，作者展示了复合干压hG电极在各种储能平台的应用，包括超级电容器、锂(Li)离子电池、Li-O2电池和Li-S/Se电池。作者强调和讨论了实际的质量负载和独特的电极结构的厚电极的制备和性能，都是由hG的干压缩性实现的。

相关研究文章以“Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene”为题发表在Accounts of Chemical Research上。

【核心创新点】

本文对hG的干压缩性进行了详细地分析与研究以期在电化学储能当中发挥hG的更大优势。

【数据概览】

【成果启示】

随着可扩展的制备技术的可用，hG可能是用于未来的高能量密度电池电极的最有前途的候选碳材料之一，在制备和性能方面都具有优势。以下列举了一些需要进一步研究的挑战:

（1）hG的制备应进一步改进，并针对个别应用量身定制。因为在不同的氧化条件下，可以用不同的石墨烯材料制备hG，其性质如含氧量、孔洞大小、原始石墨烯缺陷密度和表面积等可能会有所不同，并在每种应用中发挥重要作用。后续的修饰，如无机或有机官能化和杂原子掺杂，对特定功能可能是至关重要的。

（2）hG的空穴边缘化学仍有待完全了解。尽管hG在化学性质上与完整的石墨烯有相似之处，但孔边缘的化学还没有被充分利用。孔边碳化学的调控不仅对石墨烯表面性能有重要影响，而且对储能应用的孔传输性能也有重要影响。已经有关于hG孔边缘修饰影响催化和离子传输性能的报道。

（3）干压hG架构需要更多的基本理解和改进。例如，干压hG盘坚固但没有柔性。在结构或制造过程中进行适当的改进，它们是否能够得到改进并应用到柔性器件上还有待观察。干压的hG基电极在使用溶剂或液体电解质时也会膨胀。尽管它们保持了良好的电化学活性，表现出高的面积容量，并对重复循环保持机械稳健性，但膨胀可能会在扩大电池制造时构成挑战。

（4）干压hG的应用还有待进一步探索。hG已被用于催化、传感、吸附剂、膜和复合材料等应用，在这些应用中，干压hG可能呈现出独特的微环境。在储能领域，除了本文所讨论的，还有其他几个重要的领域，如锂金属负极和固态电极的应用。对于前者，完整的石墨烯已被证明是锂金属的优良轻质宿主，以减少枝晶形成，从而提高可循环性。干压hG可以改进这种锂金属宿主电极的制备。对于后者，由于许多固态正极盘已经通过干压缩制备，可以合理地预测，使用hG可以进一步促进制备，并通过增强各种成分之间的界面接触提高性能。

原文详情：Yi Lin*, Christian O. Plaza-Rivera, Liangbing Hu*, and John W. Connell. Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene. Acc. Chem. Res. (2022). https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00457

本文由景行供稿。