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南航申來(lái)法教授AFM：3D打印全有機(jī)質(zhì)子電容器
  發(fā)布日期：2024-11-20

贗電容器的應(yīng)用中面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在極端環(huán)境下性能的快速下降，這是由于無(wú)機(jī)材料的緩慢擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和傳統(tǒng)塊狀厚電極中曲折的離子傳輸路徑。相較于金屬離子存儲(chǔ)機(jī)制，有機(jī)材料與H+的結(jié)合主要依賴于氫鍵作用。這種機(jī)制為電極提供了更多的離子存儲(chǔ)位點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更高的容量。在眾多有機(jī)材料中，醌類化合物能夠通過(guò)陽(yáng)離子與羰基官能團(tuán)間的離子配位作用存儲(chǔ)電荷，展現(xiàn)出高度的氧化還原可逆性和快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。這種獨(dú)特的儲(chǔ)荷機(jī)制使全有機(jī)贗電容器在超低溫環(huán)境下仍能保持高效的電荷存儲(chǔ)。目前，有機(jī)化合物作為質(zhì)子贗電容器負(fù)極的研究很少。

近日，南航申來(lái)法教授在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“An Ultrafast and Ultralow-Temperature 3D-Printed All-Organic Proton Pseudocapacitor”的研究論文。該研究論文采用水熱法將具有氧化還原活性的2,6-二氨基蒽醌(DQ)修飾在石墨烯表面，合成了復(fù)合材料（DQ@rGO），用于質(zhì)子存儲(chǔ)。該復(fù)合材料充分發(fā)揮了石墨烯的卓越導(dǎo)電性能，促進(jìn)了DQ分子的快速且可逆的法拉第反應(yīng)。綜合密度泛函理論(DFT)和非原位表征揭示了DQ分子中C=O活性位點(diǎn)與H+的結(jié)合涉及可逆的醌/對(duì)苯二酚氧化還原反應(yīng)。同時(shí)，利用墨水直寫3D打印技術(shù)構(gòu)建了3D打印的DQ@rGO復(fù)合電極，該電極在高質(zhì)量負(fù)載（28.73 mg cm?2）下實(shí)現(xiàn)了10.14 F cm?2的面積比電容。以3D打印DQ@rGO基復(fù)合電極和3D打印聚苯胺基復(fù)合電極分別作為負(fù)極和正極組裝了3D打印全有機(jī)質(zhì)子贗電容器。該電容器在?60°C時(shí)能夠提供高達(dá)0.76 mWh cm?2的高能量密度，且在?80°C下也能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

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