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工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

薄如纸却超级能装电的石墨烯复合新材料

2026-09-04
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随着可穿戴设备和便携式电子产品的快速发展,人们需要一种既轻薄柔软又具备强大储能能力的电池技术。在众多储能技术中,超级电容器因为充电快、功率高以及使用寿命长,成为了科学家们关注的焦点。


然而,寻找完美的超级电容器电极材料是个不小的难题。石墨烯这种材料导电性极佳且机械性能优异,是制作柔性电极的理想候选者,但它储能容量(也就是比电容)相对较低。另一种被称为聚苯胺(PANI)的导电聚合物虽然储能容量高,但经历多次充放电后结构容易被破坏,导致循环稳定性很差。因此,如何把这两种材料完美结合,实现“强强联手”,成为了一个极具潜力的研究方向。


要把石墨烯和聚苯胺结合起来,最简单的想法是把它们混在一起。但是,普通的石墨烯很难在水中均匀分散。以往的研究通常使用“氧化石墨烯”来代替,但在还原氧化石墨烯的过程中,容易破坏聚苯胺的化学结构,导致性能下降。为了解决这个问题,研究人员想到了“磺化石墨烯(SG)”。磺化石墨烯表面带有亲水的磺酸基团,不仅能在水中很好地溶解,还能在聚苯胺的合成过程中充当 “掺杂剂”的关键成分。


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论文中的图1展示了这一过程的原理:研究人员将水溶性的磺化石墨烯与苯胺单体混合,通过添加酸性溶液和氧化剂(APS),让苯胺直接在石墨烯的表面发生“原位聚合”。也就是说,聚苯胺是在石墨烯表面直接生长出来的。在这个过程中,带负电的磺化石墨烯和带正电的聚苯胺通过离子键紧紧结合在一起,实现了一层一层的“自组装”。


有了均匀混合的溶液后,如何把它变成实用的材料呢?研究团队使用了实验室中常见的工具-真空抽滤装置。 将混合好的溶液倒在带有微孔的滤膜上,利用低压将水分抽干。随着水分流失,固体物质相互交织、堆叠,揭下来就得到了一张可以独立存在的“纳米复合纸”。


为了弄清楚这张“纸”在微观下到底长什么样,研究人员采用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)进行表征形貌的观察。


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聚苯胺的形态改变(见图2):在普通的透射电子显微镜(TEM)下,单独生成的聚苯胺呈现出纳米棒状结构。在复合材料的TEM图像中,研究人员发现几乎所有的聚苯胺都变成了均匀的片状结构,并且平整地附着在石墨烯表面的两侧。


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像千层饼一样的复合纸(见图3): 扫描电子显微镜(SEM)展示了这种材料的截面形貌。中不仅包含了一张可以用镊子随意弯折的柔性复合纸的实物照片,还在其微观断面图中显示出了高度致密的层状堆叠结构。层与层之间的距离仅在80到300纳米之间,聚苯胺均匀地穿插在石墨烯层间。这种结构不仅让材料更坚韧,也为电荷的存储和传输提供了通畅的微观通道。


研究团队还使用了拉曼光谱仪(Raman)分析分子键的特征,利用X射线衍射仪(XRD)观察晶体结构,通过热重分析仪(TGA)测试了材料在高温下的质量流失情况。这些客观的测试数据相互印证,证实了聚苯胺确实成功且均匀地嵌入了石墨烯层中,并且复合材料比单一的聚苯胺具有更好的热稳定性。


电化学性能测试环节,这张 “复合纸”展现出了优异的储能潜力。研究人员在一个三电极系统中对其进行了测试,主要结果如下:


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超高的比电容(见图8): 比电容是衡量超级电容器“能装多少电”的核心指标。根据论文图8的数据,在0.5 A/g的放电电流下,这种复合纸的比电容达到了478 F/g。相比之下,单独的磺化石墨烯纸只有156 F/g,而纯聚苯胺粉末也只有264 F/g。两者结合后,性能实现了显著的提升。


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出色的耐久度(见图9): 超级电容器的重要优势是使用寿命长。如图9中的循环稳定性测试所示,在经历了2000次充放电循环后,这张复合纸能够保持初始电容值的88%。作为对比,以前的类似研究显示,普通的聚苯胺电极在1000次循环后通常只能保留52%的电容。这充分说明石墨烯层状结构的加入起到了良好的“骨架”稳定作用,极大地缓解了聚苯胺在充放电过程中的结构损耗。


学者介绍:刘屹东,中国科学院力学研究所研究员、博士生导师,国家级特聘专家。主要从事高性能材料与器件、合成化学及功能材料研究,研究内容涉及高性能聚合物与复合材料、新能源与储能材料、热管理与相变材料、石墨烯及二维材料等方向,聚焦材料结构设计、合成制备与性能调控,以及先进功能材料在能源存储、电子器件和工程应用中的关键科学与技术问题。


ORCID:0000-0002-8412-9076


DOI:10.1016/j.synthmet.2014.11.017

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