近日，德克萨斯A&M大学Jodie L. Lutkenhaus团队设计了一种具有仿生珍珠层状结构和仿生化学材料改性修饰的石墨烯基电极材料，在保持良好电容性能的同时，极大改善了电极的力学性能。相关成果以题为Highly Multifunctional Dopamine-Functionalized Reduced Graphene Oxide Supercapacitors的文章在国际知名期刊Cell姊妹刊《Matter》上在线发表。
据悉，随着航空航天、地面运输、电子通信等领域的迅速发展，先进的储能技术越来越成为行业发展的关键因素。电极材料的体积、质量和稳定性对于储能器件的生产能力和使用范围具有重要影响，目前，大多数电池和超级电容器电极材料因力学性能（包括强度和弹性）较差，无法承受其使用环境下复杂的荷载状态。因此封装、保护材料成为了制约储能器件小型化和轻量化的重要因素。
Jodie L. Lutkenhaus团队的研究提出，储能器件通过改性优化，以其强度和弹性等力学指标，可以直接充当多功能的结构材料（如：具有储能功能的汽车面板、航空器覆盖材料等），对储能材料在复杂荷载环境下的安全使用具有重要意义。
首先，研究人员通过利用多巴胺（DOPA）对rGO进行功能化从而产生大量氢键，又通过Ca2+离子的螯合作用，增强了rGO与芳纶（凯夫拉）纳米纤维的界面相互作用，采用真空过滤法制备了复合电极，实现了珍珠母状的“砖砌”结构，并采用了多功能效率参数用来描述该材料的力学性能和储能性能综合能力。与纯rGO相比，非共价作用使电极材料的杨氏模量和极限拉伸强度分别提高了220%和255%。该复合电极材料的多功能效率值达到了5——13.6，实现了力学性能和电化学性能的高效融合。
图1. 多巴胺和二价离子修饰的rGO-BANF结构电极。
随后，对制备的复合电极进行热还原以恢复sp2杂化碳原子以提高电极的导电性。从电子显微镜照片可以看出，电极材料中的芳纶（凯夫拉）纳米纤维（BANF）对rGO-DOPA复合片层起到了拉结作用，对于提升材料的拉伸强度具有重要意义。从厚度来看，非功能化复合电极的厚度为10-15μm，而多巴胺功能化电极的厚度较薄（rGO-DOPA/BANF: 5-9μm；rGO-DOPA/BANF /Ca2+：2-5μm）。经过力学拉伸测试以及电化学测试后，rGO-DOPA电极的横截面形态并未发生明显变化，体现出材料具有良好的力学和电化学稳定性。
图2. 多巴胺改性和Ca2+离子螯合对rGO/BANFs电极微观形貌的影响。
从力学性能来看，多巴胺功能化产生的氢键-聚多巴胺链起着桥梁的作用，促进了rGO-DOPA和BANF之间的荷载转移，将材料的极限拉伸强度和杨氏模量分别提升到96±12MPa和10±2GPa。Ca2+离子螯合通过配位键相互作用对电极材料的杨氏模量和极限拉伸强度同样产生了显著提高作用，极限拉伸强度达到117±17MPa，杨氏模量为15±3GPa。从电化学性能来看，与纯rGO（216.2F/g）相比，芳纶纳米纤维降低了材料的比电容，因为双电层主要产生在rGO片层表面。多巴胺功能化仅造成了电容量的略微下降，同时，Ca2+离子螯合因使电极更加紧凑和致密，阻碍了K+和OH-离子的扩散，造成了电容的显著下降，但由于含氧基团与Ca2+离子的螯合作用，钙离子修饰电极在电解液中表现出增强的稳定性。
图3. 多巴胺功能化与Ca2+离子螯合对电极材料力学和电化学性能的影响。
最后，研究人员将rGO-DOPA/BANF/Ca2+电极力学性能与骨、珍珠母和木材等天然材料进行了对比，结果显示，改性增强电极的拉伸强度与上述天然材料接近，杨氏模量高于木材但低于珍珠母和骨。与其他复合电极材料相比，rGO-DOPA/BANF/Ca2+电极的杨氏模量比其他rGO-DOPA结构的报道值高出60%。通过计算材料的多功能效率系数，当杨氏模量、拉伸强度和电容量为优先考虑因素时，多巴胺和Ca2+离子的加入是有益的，保持着多功能效率值大于5， 这说明多巴胺功能化和Ca2+离子螯合作用对材料的力学性能和电化学性能进行了高效融合。
图4. 改性的rGO-DOPA/BANF/Ca2+电极与其他材料力学、电化学性能以及多功能效率参数的对比。
总结
本研究采用真空过滤法制备了基于支链芳纶纳米纤维和多巴胺功能化rGO膜的仿珍珠母结构超级电容器电极。研究了BANF的加入、多巴胺的功能化和Ca2+离子螯合对力学性能和电化学性能的影响。与纯rGO电极（无BANFs）相比，这些改性使材料的杨氏模量和极限拉伸强度分别显著提高了220%和255%。其优异的力学性能是多巴胺功能化引起的氢键增强和Ca2+离子的螯合作用共同作用的结果。力学性能的改善带来了极高的多功能效率值，可达5——13.6。这一新方法同样适用于其他仿生珍珠母结构材料，在保证力学性能的基础上，应着重提高电化学性能，可以通过增加孔隙率来提高离子迁移率，也可以通过添加赝电容材料来提高能量密度，从而促进电化学仿生材料向多功能化应用的发展。
文章来源： 高分子科学前沿
本文来源于互联网:青瓷花羽+ 关注专题科学家为大面积缺陷型石墨烯的应用打开新思路中科院通过氧化石墨烯和热剥离石墨烯调节比表面积vs.密度的精确调控
阅读更多内容
狠戳这里
参与回复进入新闻列表 查看更多赞（0）踩（0）收藏石墨烯储能材料进入“石墨烯”首页，浏览更多精彩内容 >>石墨烯材料科学家制备石墨烯-碳纳米管复合材料墨汁直写制备超级微型超级电容器碳纳米管复合材料电容器盘点我国石墨烯百强企业 新颖的蛋糕状石墨烯量子点结构引人注目量子点碳原子石墨烯最新研究进展：三维化石墨烯块体材料获突破 纳米复合材料性能三维化块状材料复合材料自然通讯：氧化石墨烯与一种蛋白质的3D打印可复制血管组织的管状结构氧化石墨烯蛋白质3D打印石墨烯形成防止铜腐蚀杂化层的独特方法 揭示纳米多孔石墨烯的新导热机制纳米多孔石墨烯超导重大发现！物理学家在高温超导体发展迈出重要一步超导材料魔角石墨烯《Nature》美国微粉公司推出新产品——GraphShield 730 可用于粉末涂料蜡复合技术粉末涂料鼓励各地减免个体工商户房租：进一步释放经营场所资源个体商户房租市场监管总局金属锂的电结晶特性在还原氧化石墨烯(rGO)上实现平面锂层定向生长锂电池结晶氧化还原单层石墨烯力学性质获进展 助力石墨烯真实力学性能标准形成高性能材料超级材料超级钻石：卡内基科学研究所合成首个热力学稳定碳基笼形物卡内基科学研究所超级钻石碳基BGI石墨烯薄膜生产示范中心正式启动 核心技术开启产业化石墨烯薄膜单层石墨烯膜材料制备获进展！颜宁团队开发低成本新方法颜宁石墨烯材料石墨烯的2019：从“逐渐退烧”迈向“新材料之王”石墨烯材料石墨烯智能运动衣有望制成！将温度传感和凉感集成于一体改性纤维智能服装小于十分之一毫米！巴塞尔大学精确测量硅烯中的原子排列硅烯石墨烯显微镜硅增强或替代传统石墨负极 Nexeon获得关键硅负极专利硅石墨重磅！中国科学技术大学等突破热等离子体高能耗技术瓶颈等离子体石墨烯科学家实现等离子体宏观制备石墨烯 有望低成本大规模连续生产中国科学技术大学新型材料强强联手！五矿集团联手黑龙江打造千亿级石墨产业集群五矿集团石墨材料新能源材料石墨烯制备的超薄金刚石膜 无需高温高压可以增韧电子器件金刚石薄膜中科院研发单层多晶石墨烯可控断裂技术 有望大规模生产石墨烯多晶石墨烯中科院南大研发石墨烯太阳能光-热发生器 实现约85%转化效率太阳能光热转换南京大学剑桥大学研开发新型石墨烯复合材料 可“吃掉”常见大气污染物石墨烯复合材料大气污染黑磷制纳米材料新用途！可用于神经、血管再生和免疫稳态纳米材料上海交大新突破！我国首次通过机械剥离和液体剥离得到紫磷烯二维材料紫磷烯西安交大世界领先的五大石墨烯研究中心与中国顶尖石墨烯研究机构石墨烯研究研究机构填补应用空白！我国成功研制富勒烯高温耐磨薄膜富勒烯航空发动机天大制备新型云母膜 有望推进氢燃料电池汽车商业化发展燃料电池云母膜石墨烯膜西安交大合成第六主族新型二维材料碲烯 弥补黑磷弊端二维材料西安交通大学+加载更多新闻
除特别注明外，本站所有文章均为乐克严选实验室设备原创，转载请注明出处来自https://info.lekoc.com/1273.html
