化學(xué)專業(yè)外文翻譯--自組裝石墨烯—碳納米管復(fù)合膜制備超級電容器(已修改)
2025-06-01 15:25 本頁面
【正文】 自組裝石墨烯 — 碳納米管復(fù)合膜 制備超級電容器 1 中文 2890 字 出處： The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020, 1(2): 467470 自組裝石墨烯 — 碳納米管復(fù)合膜制備超級電容器 Dingshan Yu and Liming Dai* Department of Chemical Engineering, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio 44106 摘要 ： 在 PEI 陽離子存在的 條件下，通過還原剝離的氧化石墨制得穩(wěn)定的石墨烯片水溶 液分散體系 。得到的可溶于水的被 PEI 改進的石墨烯薄片與有氧酸多層碳納米管經(jīng)順序自組裝形成復(fù)合碳薄膜。這些合成膜被證實擁有 明確界定的納米 孔 的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)碳結(jié)構(gòu)，其被期待制成超級電容器，同時顯示接近矩形的伏安循環(huán) ，即使在 較高的掃描速率 1V/s，平均比電 為 120F/g。 關(guān)鍵詞 ： 納米顆粒和納米結(jié)構(gòu) 由于其獨特的電性能、機械性能和大的比表面積，具有二維 (2D)碳納米結(jié)構(gòu)的石墨烯納米薄膜 （ GNs） 將成為一種新型的有前途的材料，在制動器、太陽能電池、 場致 發(fā)射裝置 、 場效應(yīng)晶體管、超級電容器和電池方面有很 大的應(yīng)用前景。 17把石墨烯薄膜作為儲能電極的合成膜成為特別有吸引力的選擇項目。 8,9在這種情形下，在納米級別上通過控制合成膜的組成和結(jié)構(gòu)來改進合成膜的性能非常關(guān)鍵。因此，使石墨烯薄膜具有可控加工的性能是重要的。 近 來，通過 溶液的 氧化還原把剝離的石墨轉(zhuǎn)變成氧化石墨烯 (GOs)制 得 溶解狀態(tài)的 GNs， 10溶解狀態(tài) 的 GNs 制成 GN 功能膜有多種溶液加工方法，如過濾， 11 溶劑蒸發(fā)成膜 ， 12電泳沉積 13和 LangmuirBlodgett 沉積 14。然而上面提到的大部分方法由于薄膜的結(jié)構(gòu) 性質(zhì)難以控制， 石墨烯團聚導(dǎo)致的表面積減小 將影響其 能量儲藏 。 因此，在 儲 能方面的應(yīng)用，我們想用一維 (1D)碳納米管(CNTs)物理 分離 二維 石墨烯片 保持石墨烯高的比表面積。 自組裝石墨烯 — 碳納米管復(fù)合膜 制備超級電容器 2 合成薄膜的一種最 通用的制造技術(shù)是 LBL 靜電自組裝技術(shù)，是通過基 底 在可用的功能材料水溶液中的反復(fù)的 、有 序的浸泡 而制成的。 15 這 種 LBL 技術(shù) 近 來被用于超薄的、導(dǎo)電性好的多層薄膜的制備，這些薄膜包含有混有羧酸 胺 和其他表面官能團和帶有相反電荷的聚離子的 CNTs。 1619然而， 由 LBL 技術(shù)制成的石墨薄膜很少在學(xué)術(shù)上被討論。 2021另一方面，最近，人們正試圖 把 石墨烯與碳納米管合成膜通 過旋轉(zhuǎn)涂層法把兩種碳納米材料均勻混合。 12b,22這樣制備的 復(fù)合 膜有很難控制的聚集石墨烯薄片組成。 本文中 ，我們 最近研究 的大面積 的 多 元的復(fù)合 膜 通過 有序自組裝由 二維石墨烯薄 片 和一維 CNTs 在各種的基 底 上 靜電作用 形成，可用作 電化學(xué)測 試 。 復(fù)合 膜顯示出 接近矩形的伏安循環(huán) 曲線 ， 即使在 掃描速率 1V/s，平均比電容為 120F/g。 在一個典型的試驗中，我們用混有 聚乙烯亞胺 （ PEI） 做穩(wěn)定劑的肼來還原 GO薄膜， 在 石墨烯 片 上 引入 帶電的可溶性聚合物鏈將 獲得 高分散的石墨烯材料。水溶性的 PEI 陽離子鏈在石墨烯薄膜上的吸附不僅使得 GNs 分散溶解而且 多元復(fù)合膜 具有可控結(jié)構(gòu)， 這個過程 通過 與 其它負電荷納米材料 （例如：酸化的 GNTs） 的 有 序自組裝形成。 圖 1(a)出示一個均勻分散的黑 色的 PEI 修飾的 GN(PEIGN)水溶液。這個分散體系 是穩(wěn)定的，甚至在幾周的 靜置 后，也不會有明顯改變。這表明被還原的氧化石墨烯薄膜被 PEI 很好 的 分散，這是由于 接有 帶電 PEI 鏈 的 GN 之間的 靜電排斥引起的。用原子力顯微鏡（ AFM） 測出 PEIGN 稀釋溶液的圖像，表明含有從幾百納米到幾微米的形狀不規(guī)則的單片晶，其厚度為 ～ (圖 1(b,c))。觀察到的 薄膜厚度明顯比相應(yīng)的剝離氧化石墨烯薄膜 （ 1～ nm） 或原始的石墨烯薄片 （ ） 要厚。 23一方面被吸附 的 PEI 鏈能明顯增加薄膜厚度， 另外 一些石墨烯薄片的 堆積 不能被排除在外。 自組裝石墨烯 — 碳納米管復(fù)合膜 制備超級電容器 3 圖 1 (a)數(shù)碼 照片顯示出 濃度為 毫克 /毫升 水性分散的 還原 氧化石墨烯溶液，在 PEI存在下 ； (b)在 PEIGN 體系中 分散 的 單 層石墨烯的 AFM 圖 ； (c)剖面顯示厚度的PEIGN 片狀。 這些獲得的被 PEI 修飾 的石墨烯 可 進一步利用拉曼光譜儀 （圖 S1a，支持信息） 、傅里葉紅外光譜儀 （圖 S1b） 和 X 射線光電能譜 (XPS)分析 ， 圖 2 是 GO 和被 PEI 修飾 的石墨烯的 XPS 光譜。圖 2a 顯示的是 PEIGN 的 XPS 光譜，其 N 的 峰與 GO 的XPS 光譜相比，清晰的表明 PEI 鏈 吸附 在合成 GNs 上。正如預(yù)期的那樣，在圖 2b 中的 GO 的 C1s 光譜波 峰在 和 ，這是由于 C＝ O 和 CO 鍵的影響。相比之下， PEIGN 的 C1 光譜由于 C＝ O 和 CO 官能團的存在會出現(xiàn)明顯的波峰降低 (圖2c)。 GO 的表面 氧 基團 預(yù)計達到 %，但是在用混合有 PEI 的肼處理后氧含量降至%。 結(jié)果 表明 在 PEI 和肼的 還原下有大量的脫氧 反應(yīng) 發(fā)生。這期間，在 PEIGN 中氧的 百分?jǐn)?shù)達到 %，表明 PEI 鏈連接在石墨烯薄膜。此外， PEIGN 的 C1s 和 N1s的 XPS 光譜表明胺 NH2(NH3+)( C1s 在 和 N1s 在 )和酰胺鍵 N
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