石墨烯离子存储机制研究取得新进展

电化学双层电容器又称超级电容器，通过电解液离子在高表面积电极表面的可逆吸脱附来储能。由于不涉及氧化还原反应等电荷转移动力学限制，超级电容器可以极高的充放电速率下运行，具有达百万次的良好循环能力，使得它们广泛应用于储能领域。石墨烯理论上可具有550 F/g的比容量，作为超级电容器电极材料备受关注。然而目前石墨烯基材料的性能仍远远低于预期。一方面，石墨烯的量子电容已被证明在双电层电容的建立中起着关键作用；另一方面，界面电化学是决定超级电容器储能性能的关键因素，涉及到离子在电极孔道内的传输扩散、离子在碳表面的吸/脱附等过程。石墨烯-电解液界面动态电荷分离机制仍然未得到良好解决，阻碍了高性能二维或三维石墨烯电极的进一步发展。

近日，中国科学技术大学朱彦武课题组提出，低缺陷含量的单层石墨烯可为从理解极化作用下石墨烯界面离子吸附/相互作用提供了一个优良模版：既消除了孔道离子受限效应，又不受大多数多孔碳材料中孔隙或缺陷的影响（National Science Review, 2019; https://academic.oup.com/nsr/advance -article /doi/10.1093/nsr/ nwz140/5569389）。基于此，该课题组联合法国Patrice Simon课题组，采用电化学阻抗谱和电化学石英晶体微量天平系统联用，原位研究了离子液体（EMI-TFSI）电解质在单层石墨烯表面的动力学响应。研究发现，在石墨烯正极化区间，电荷储存受带正电的团簇类离子脱附主导；在负极化区间，石墨烯表面质量变化较小，显示表面离子重排效应。随着施加电势的增加，两种类型的界面响应主导着双电层的变化，导致双电层电容增加。该研究为进一步理解石墨烯-电解液界面结构以及石墨烯双电层储能提供了基础。