激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)由于其成本效益和制造方法簡(jiǎn)單，已成為一種有前途的超級(jí)電容器電極材料。然而，基于LIG的超級(jí)電容器仍然面臨著容量和穩(wěn)定性有限的挑戰(zhàn)。為了克服這些限制，在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種新穎、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的制造方法，即將LIG材料與蠟燭-煙灰納米顆粒相結(jié)合。該復(fù)合電極采用激光照射在卡普頓片上生成LIG材料，然后噴涂蠟燭-煙塵納米顆粒并退火制備。材料表征表明，退火工藝使納米顆粒與LIG材料之間建立了牢固的連接，并增強(qiáng)了納米顆粒的石墨化。制備的超級(jí)電容器在0.1 mA/cm
2下的最大比電容為15.1 mF/cm
2，最大能量密度為2.1 μWh/cm
2，功率密度為50 μW/cm
2。值得注意的是，蠟燭煙灰和LIG的協(xié)同活性超過(guò)了先前報(bào)道的基于LIG的超級(jí)電容器的性能。此外，該器件的循環(huán)穩(wěn)定性表明，在10000次循環(huán)中，電容保持率為80%，庫(kù)侖效率為100%。
圖1. (a) CS涂層LIG電極和(b)基于CS-LIG電容器的制造方案示意圖。
圖2. (a)低倍和(b)高倍LIG電極的SEM圖像。(c) CS-LIG-400電極的低倍和高倍掃描電鏡圖像。(d)的插圖是CS-LIG-400電極表面的高倍掃描電鏡圖像，描繪了CS納米顆粒在LIG表面的涂層。
圖3. （a，b）原始CS納米粒子、（c）在400℃退火的CS納米粒子、（d–f）LIG和（g–i）CS-LIG-400電極的TEM和HRTEM圖像。插圖（b）和（c）顯示了相應(yīng)圖像中矩形截面的對(duì)比增強(qiáng)HRTEM圖像，以說(shuō)明碳質(zhì)材料的石墨層。（f）和（h）的插圖沿相應(yīng)圖像中所示的線(xiàn)呈現(xiàn)快速傅立葉變換，指示石墨平面的層間距離。（i）的插圖描繪了圖像矩形截面的對(duì)比增強(qiáng)HRTEM圖像，顯示了CS和LIG材料的石墨層的良好重疊。
圖4. （a） LIG、CS-LIG、CS-LIG-300和CS-LIG-400的拉曼光譜和（b）XPS譜，LIG和CS-LIG-400材料的（c）C 1s和（d）O 1s譜。
圖5.CS-LIG電極的電化學(xué)性能。（a） 掃描速率為50 mV/s時(shí)的CV曲線(xiàn)，（b）電流密度為0.5 mA/cm
2時(shí)的GCD曲線(xiàn)，（c）CS-LIG-400電極在0.05至3 mA/cm
2的不同電流密度下的GCD曲線(xiàn)，（d）LIG、CS-LIG、CS-LIG-300和CS-LIG-400電極的比表面積電容（根據(jù)GCD曲線(xiàn)測(cè)量）。
圖6. 對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。（a） CS和CS-LIG-400在50 mV/s掃描速率下的CV曲線(xiàn)表明CS-LIG-400超級(jí)電容器具有良好的電流響應(yīng)特性。（b） CS-LIG-400超級(jí)電容器在不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)。（c） CS-LIG-400超級(jí)電容器在不同電流密度下的GCD曲線(xiàn)。（d） 根據(jù)GCD測(cè)量值計(jì)算CS和CS-LIG-400超級(jí)電容器的比表面積電容。
圖7.（a） 制作的超級(jí)電容器的Ragone圖及其與先前報(bào)道的LIG基超級(jí)電容器的比較。（b） CS-LIG-400超級(jí)電容器10000次以上的循環(huán)保持率和庫(kù)侖效率。插圖中顯示了第一次和第10000次循環(huán)的CV曲線(xiàn)，以強(qiáng)調(diào)CS-LIG-400電極電化學(xué)行為的最小變化。
相關(guān)研究成果由德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院
Jan G. Korvink 課題組2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c07094)上。原文：Enhanced Performance of Laser-Induced Graphene Supercapacitors via Integration with Candle-Soot Nanoparticles
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
