柔性電子器件關鍵設備：中國研發出新石墨烯電容器！

近日，合肥工業大學化學與化工學院從懷萍教授科研團隊與中國科學技術大學、南京大學等單位合作，成功製備出一種高強度、自支撐、超薄石墨烯薄膜，並成功將該薄膜組裝為全固態柔性超級電容器，為下一代柔性電子器件的研發開闢了新的路徑。其相關成果以《非共價鍵誘導石墨烯單層宏觀組裝構築石墨烯薄膜用於柔性全固態超級電容器》為題於4月12日發表於國際著名學術刊物《細胞》（Cell）的綜合類化學期刊《化學》（Chem）上（（Chem, 2018, 4, 896-910）。論文的共同第一作者是碩士研究生王郭飛和青年教師秦海利博士。

全固態柔性超級電容器可為可穿戴電子設備提供安全高效的電源，是新一代柔性電子器件的關鍵設備。石墨烯作為一種單原子層厚度的二維晶體，兼具優異的光學、電學、熱學、力學等性能，是此類新型儲能器件的理想材料。然而，由於石墨烯納米片之間界面作用較弱，且缺少有效的組裝方法，研發具有超薄、透明、自支撐的石墨烯薄膜並用作全固態柔性超級電容器仍面臨巨大挑戰。

針對這一難題，從懷萍教授科研團隊通過設計優化組裝體微納結構和增強界面作用力相結合策略，採用宏觀尺度納米組裝技術，實現了這一新型等級結構的先進材料的製備。

該課題組通過單分子原子力顯微鏡測量手段，在11種不同有機分子中發現了與氧化石墨烯之間的作用力最強的分子——三聚氰胺。研究發現，由於電荷轉移與氫鍵的協同作用，三聚氰胺分子與氧化石墨烯納米片之間的非共價作用力達到約1納牛，達到了共價鍵的力程。通過在氧化石墨烯納米片層間引入三聚氰胺分子，相鄰兩層納米片之間的有效接觸大幅增加，使薄膜內部氧化石墨烯片層間的相互作用顯著增強，從而製備出具有優異的機械強度的氧化石墨烯薄膜。

據介紹，該薄膜僅由兩層氧化石墨烯單層膜組成，厚度僅為22納米，無需輔助材料即可實現自支撐，並可通過增減單層膜層數實現厚度和性能的可控調節。同時，該薄膜橫向尺寸達厘米級，具備可裁剪性和優異的拉伸性，且對強酸強鹼高度兼容。

實驗結果表明，該新型薄膜在可見光550納米處透光率高達84.6%，經過原位還原後仍然保持優異的機械性能及光學性能。石墨烯薄膜電阻僅有420方阻。由該薄膜組裝而成的全固態柔性超級電容器具有較高的體積電容值、良好的電機械穩定性，展現了優異的超級電容器性能。在循環充放電7500圈後，該薄膜電容值保留高達91.4%。

該工作得到了國家自然科學基金、國際合作重點項目、國家重點基礎研究發展計劃、新世紀優秀人才支持計劃、中央高校基本科研業務費專項資金、安徽省自然科學基金、合肥大科學中心卓越用戶基金等項目的資助。

圖1.（上）基於石墨烯和三聚氰胺相互作用構築透明超薄石墨烯薄膜；（下）基於單分子原子力顯微鏡研究不同有機分子與氧化石墨烯之間作用力。

圖2. 基於30納米厚石墨烯薄膜構築全固態柔性超級電容器的研究

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