蘭大：調節官能團提高石墨烯的片上微型超級電容器的電化學性能

2020-09-24 材料分析與應用

成果簡介
片上系統兼容電源對諸如無線傳感器，遠程檢測設備等小型化設備的快速發展提出了很高的要求。此外，此類設備的多功能性和長期工作條件不斷增長的趨勢提高了電源的高性能標準。本文，蘭州大學謝二慶教授團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Boosting the Electrochemical Performance of Graphene-Based On-Chip Micro-Supercapacitors by Regulating the Functional Groups」的論文，研究採用無金屬集流體的對稱性獲得平面結構石墨烯的高性能電化學儲能微超級電容器（MSC），其中的官能團 石墨烯通過完全兼容的藍紫色（BV）雷射曝光和空氣等離子體處理的微細加工技術，對銅進行了嚴格的調節。BV雷射曝光通過減少大量的官能團而提高了電導率。

此外，通過空氣等離子處理調節了潤溼性和活性位，從而在表面上形成了一個稍微官能團石墨烯表面。結果減少了石墨烯氧化物（RGO）的電阻非常低，低至27.2Ωsq –1，確保了其出色的電子傳導性，可在電化學反應過程中快速進行電子轉移。電化學性能測量顯示，面積電容高達21.86 mF cm -2，可提供5 mW cm -2的功率密度和2.49μWhcm -2的能量密度。而且，它顯示出卓越的長期穩定性，在10000次循環後保留率達99％，這超出了大多數已報導的石墨烯基於全固態的MSC。


圖文導讀

圖1. PBV-RGO平面MSC設備的製造過程示意圖。


圖2.（a）RGO，（b）BV-RGO和（c）PBV-RGO的代表性SEM圖像；GO，RGO，BV-RGO和PBV-RGO的XRD光譜（d）和拉曼光譜（e）; （f）RGO，BV-RGO和PBV-RGO薄膜的平方電阻值。


圖3. RGO，BV-RGO和PBV-RGO的功能組信息：（a）XPS調查頻譜；（b）高解析度XPS光譜（C 1s）；（c）得出C═C，C-OH，C═O和C（O）-OH的百分比；（d）得出的C = O，C-OH和C（O）-OH的百分比；（e）紅外光譜；（f）提出了RGO的功能基團結構演變，以轉變為BV-RGO和PBV-RGO。


圖4. MSC設備M-RGO，M-BV-RGO和M-PBV-RGO的電化學性能


圖5.（a）在不同電流密度下M-PBV-RGO的GCD曲線；（b）在1.0 mA cm –2的電流密度下，M-PBV-RGO設備的循環性能和庫侖效率為1萬次循環；（c）以並聯方式和串聯方式連接的兩個M-PBV-RGO電池，其掃描速率為100 mV s –1時的CV曲線；（d）M-PBV-RGO設備與其他已報告設備的Ragone圖。


小結

總之，通過連續結合BV雷射照射和空氣等離子體處理，可顯著改善基於RGO的MSC的電化學性能。本文是通用的製造配方，並且與微集成電路加工工藝兼容，從而為片上器件帶來了巨大的潛力。


文獻：

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