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小烯导读
石墨烯因导电性好、理论比电容高，是一种很有前途的EDLC电极材料，但石墨烯片层容易发生π-π堆垛，会显著降低其比表面积，影响电解液的快速传输，难以充分发挥其储能潜力，一般需要采取较复杂的工艺技术以克服这些不足。
双电层超级电容器（EDLC）具有功率密度高、循环寿命长、安全性好等优点，在消费电子产品、电动汽车、国防科技和航空等领域具有广泛的应用，相关研究成为当前的前沿热点。
理想的EDLC电极材料应同时具备：1）高比表面积以确保足够的电荷存储空间；2）均衡分布的孔结构以利于电解液离子的快速输运，提升比电容和倍率性能；3）高的导电性以确保高功率；4）优异的浸润性以促进离子扩散，增加有效表面积。石墨烯因导电性好、理论比电容高，是一种很有前途的EDLC电极材料，但石墨烯片层容易发生π-π堆垛，会显著降低其比表面积，影响电解液的快速传输，难以充分发挥其储能潜力，一般需要采取较复杂的工艺技术以克服这些不足。
来自南京大学的胡征教授课题组近年来发展了利用原位生成的氧化镁模板制备碳基纳米笼的新方法，开发出比表面积大、微孔—介孔—大孔共存、导电性优良、浸润性可调、具有分级结构的碳基纳米笼新材料，并表现出优异的EDLC性能。最近，他们注意到在金属基底上沉积的碳材料通常要比氧化物基底上沉积的碳材料具有更好的导电性，因此将原位氧化镁模板法拓展为原位多孔纳米铜模板法，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为固态碳源，方便地制得了一种新型多孔三维寡层类石墨烯碳材料（3DG），具有微孔—介孔—大孔相互连通的开放性分级孔结构，与此同时还具有比表面积大（>1500 m2 g−1）、导电性高（>800 S m−1）、在水系和离子液体中均有良好浸润性等特点。这种3DG材料在水系和离子液中均表现出优异的超级电容器性能，功率密度分别高达1066.2和740.8 kW•kg−1，其能量密度和循环稳定性均处于先进水平，展示了在超高功率密度和能量密度存储领域的广阔应用前景（图1）。
图1. 制备不同阶段产物的SEM照片以及离子液体作电解液时3DG的Ragone图
更有意义的是，作者通过系统考察EDLC的等效串联电阻随电流密度的变化规律，从一个新的视角深入理解了EDLC材料结构与性能的关系，与经典电化学交流阻抗谱的研究结果相互印证、互为补充，为深入理解电化学能量存储材料的构效关系提供了新的思路。这一最新成果最近发表于Advanced Materials，文章的第一作者是南京大学博士生赵进。该项研究得到了国家自然科学基金、科技部纳米重大研究计划项目的联合资助。
Porous 3D Few-Layer Graphene-like Carbon for Ultrahigh-Power Supercapacitors with Well-Defined Structure–Performance Relationship
Adv. Mater., 2017, 29, 1604569, DOI: 10.1002/adma.201604569
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们前期发展了一种通过原位氧化镁模板制备分级结构碳基纳米笼的新方法。以苯作为碳源时得到碳纳米笼，EDLC性能优异；以吡啶为碳源时得到氮掺杂的碳纳米笼，由于引入了极性C-N键，大大改善了浸润性，EDLC性能也得到显著的提升。但我们也发现氮掺杂在一定程度上降低了导电性。因此就想能否既保持氮掺杂碳纳米笼的其他优点而又不损失导电性。鉴于金属基底上沉积的碳材料的电导率通常优于氧化物基底上沉积的碳材料这一现象，我们将原位氧化镁模板法拓展为原位多孔纳米铜模板法，以PMMA为固态碳源，得到了这种新型的多孔三维寡层类石墨烯碳材料（3DG）。
Q：研究过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：遇到的最大挑战是如何防止原位多孔铜模板的烧结，从而获得均匀的寡层类石墨烯。我们基于用模板法生长纳米材料的丰富研究经验，采用PMMA固态碳源，结合TG-DSC的表征，优化得到了比较合适的制备条件。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：这种多孔3D寡层类石墨烯材料在水系和离子液中的功率密度分别高达1066.2和740.8 kW•kg−1，其能量密度和循环稳定性均处于先进水平，以此构建的EDLC可应用于国防科技、航空等对超高功率有特殊需求的领域，也可用于移动电子产品、电动汽车等领域。本项成果不仅仅提供了一种性能优异的新型EDLC电极材料，还从一个新的视角，即通过考察EDLC的等效串联电阻随电流密度的变化规律，深入理解了EDLC材料结构与性能的关系。这个研究构效关系的思路和方法可与经典电化学交流阻抗谱研究方法相互印证、互为补充，相信在电化学能量存储材料的研究中会越来越引起重视，并得到推广应用。
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