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石墨烯三维网络块体材料研究获得进展

最近，南京大学现代工程与应用科学学院王学斌教授课题组报道了一种锌诱导的分层碳化法，可以在低成本下高效制备优质的三维石墨烯块体材料，其产品称之为锌诱导三维石墨烯ZnG。

锌诱导分层碳化法，即锌辅助的固态有机物热解法（ZASP）。 以葡萄糖作为碳源，以锌粉作为分层剂；在加热葡萄糖进行热裂解生成焦的同时金属锌蒸发渗入焦中。 进一步，在表面张力的驱动下锌和焦的混合物发生分层形成三明治结构；或者形象地说，锌将焦切割成数个薄层。 在后续加热过程中，焦薄层转化为石墨烯，而锌挥发完毕。 液态锌彻底将焦转化为石墨烯，在产品中没有实心碳或大块碳等副产物，消除了此前固态碳源热解过程中通常存在的实心碳副产物的问题。 这个过程类似高炉炼铁中的焦炭炉衬溶损现象。 锌对焦的分层效应是一种新型的金属-碳相互作用， 不同于此前的金属和碳化合反应、合金化等金属-碳相互作用类型。 故此锌分层效应不同于通常的模板过程。

此外，锌可以催化碳化和石墨化过程；锌还可以直接挥发并沉积在尾气系统中，无需任何处理直接循环使用，不但避免了其他方法中麻烦的湿处理，而且真正实现了循环利用，大大降低了成本。 锌法三维石墨烯产品ZnG 具有高比表面积、 优异热稳定性、在空气中和在电解液中出色的电导率。 该工作还演示了ZnG 用作双电层型超级电容器的电极，实现了卓越的能量密度、功率密度、循环寿命。 首先研究了锌诱导分层碳化法ZASP。 在典型生产过程中，将葡萄糖和锌粉混合、压制成所需形状、在惰性气氛下加热至1 200 ℃， 即可直接得到石墨化程度较好的三维石墨烯块体ZnG。 ZASP 过程具有较高产率，ZnG 产品能够保持初始的设计外观。 ZnG 是一种三维连续网络结构，每个泡孔都与五六个泡孔相邻，整体趋向于紧密有序排列。 ZnG 泡孔的孔壁为sp2 单/寡原子层，平均厚度为2.2 nm。 在ZnG 中没有此前固态碳源热解方法的实心筋、实心颗粒等杂质形貌。相比三维化还原氧化石墨烯3DRGO 来说，ZnG 具有更高的化学纯度、比表面积、电导率、热稳定性。

该研究进一步展示了ZnG 组装的对称型超级电容器器件。电化学测试表明，ZnG 基超级电容器具有卓越的比电容（在0.5 A/g 时，达到336 F/g）、最大功率密度（625 kW/kg）、能量密度（11.7 W·h/kg）、循环稳定性（在电位窗口为1.4 V 时，循环267 000 圈；在额定电压下，可循环超过1 百万圈）、全寿命周期储能密度（15 MW·h/kg），远优于传统储能器件。

锌分层效应创造了全薄膜结构的三维石墨烯，使ZASP 方法从众多制备方法中脱颖而出。 产品ZnG 具有高化学纯度、形态纯度、表面积、电导率、热稳定性。 同时， 锌也是一种碳化和石墨化反应催化剂，是一种可在现场回收利用的试剂。 ZASP 具有良好可靠性和可控性，使用固体碳源，可以进行大量生产。生产过程无需湿处理，工艺流程与现有的粉末冶金、熔模铸造等工艺设施相兼容，为大规模工业化生产开辟了道路。

资讯来源：南京大学

新型高比能水系电池研究取得进展

基于水系电解液的储能电池具有安全性高、成本低和倍率性能优等特点，近几年发展迅速。 然而，水系电解液的电化学窗口较窄(1.23 V)，导致该类型电池的工作电压一般比较低； 且水系电池对电极材料的选择较为严苛，稳定性和比容量均需大幅提升。低工作电压、 低能量密度等瓶颈使得水系电池的规模应用面临巨大挑战。

近期， 中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘宇和副研究员迟晓伟带领的科研团队， 提出酸碱隔离电解液和双溶解/沉积型电极反应思路，构造出一类具有高能量密度（1 503 W·h/kg，基于正极活性材料）的新型水系电池。 该体系采用双极膜将酸-碱电解液隔离，利用电极电位对电解液pH 依赖性，将全电池电解液的电化学稳定窗口拓宽至3 V，同时，电池的正负极采用了溶解/沉积反应［负极：Zn/Zn（OH）42-；正极：Mn2+/MnO2］， 因而正负极的理论比容量高达616 mA·h/g 和820 mA·h/g。 测试表明，该电池具有较高的库伦效率（98.4%）、优异的循环性能（1 500 圈后容量保持率为97.5%）和倍率特性。基于该反应体系构建的液流电池表现出极小的衰减， 循环6 000 次后容量保持率为99.5%。该研究也为发展高电压、高比能量的水系电池提供了新思路。

资讯来源：上海硅酸盐研究所