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近期河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院王麗霞博士在Electrochimica Acta上報(bào)道了有關(guān)垂直定向石墨烯表面在高頻電壓下，可實(shí)現(xiàn)定向離子傳輸，并基于此類電極材料可得到具有千赫茲濾波的電化學(xué)電容器的工作《Enabling directional ion transport over graphene electrode surfaces for kilohertz electrochemical capacitors》。目前該雜志影響因子為6.901，中科院分區(qū)二區(qū)。王麗霞博士為第一作者和通訊作者，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生李洲為第二作者，王霄鵬博士，王志敏教授為通訊作者 (DOI: 10.1016/j.electacta.2020.137561)。

濾波電容器是一種電化學(xué)儲(chǔ)能器件，在現(xiàn)代電子電路中具有實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)化為直流電信號(hào)的信號(hào)穩(wěn)定作用。傳統(tǒng)的濾波電容，鋁電解電容通常受限于笨重和剛性的器件配置。具有快速頻率響應(yīng)的千赫茲石墨烯基電化學(xué)電容器有望成為下一代濾波電容器。但其通常需要對(duì)石墨烯電極進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，以促進(jìn)有效的電解質(zhì)離子的滲透作用。目前，通過微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控使得石墨烯電極內(nèi)部形成垂直定向排布為提高電化學(xué)電容器的濾波性能提供了重要的解決方案，但垂直取向賦予石墨烯電極基電化學(xué)電容器快速頻率響應(yīng)的潛在機(jī)制仍不清楚。

針對(duì)以上問題，王麗霞博士利用定向冷凍干燥、石蠟切片和熱退火技術(shù)分別制備了具有無序、水平和垂直取向的石墨烯薄膜。并借助電化學(xué)、X 射線能量色散譜 (EDS) 的線性掃描及有限元模擬 (FEA) 證明，垂直取向石墨烯電極之所以具有高頻響應(yīng)性能，是因?yàn)槠湓诟哳l下可實(shí)現(xiàn)電極表面的定向離子傳輸。具體來說，基于 40 μm 厚的石墨烯大孔薄膜 (VO-GMM₄₀) 電極的電化學(xué)電容器 (VO-GMM₄₀-based EC) 具有最好的頻率響應(yīng)性能，在 ?45° 的相位角下表現(xiàn)出最高的頻率 12.0 kHz 和最低的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 0.67 Ω。并且在 120 Hz 的頻率下，其具有較高的相角為 ?81.3°，極小的電阻電容時(shí)間常數(shù) (178 μs)，以及較大面積比電容 (143.9 μF cm^-2)。同時(shí)可通過調(diào)節(jié)膜厚度來增大面積比電容且不會(huì)犧牲電容器的快速頻率響應(yīng)能力。此外，基于本實(shí)驗(yàn)所采用的電解質(zhì)0.5 M H₂SO₄，通過 EDS 的線掃測(cè)試，發(fā)現(xiàn) VO-GMM₄₀電極內(nèi)S元素呈現(xiàn)定向分布梯度，表明其表面離子的定向傳輸。同時(shí)，吸附離子在電極表面上的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散的 FEA 模擬也證實(shí)了該結(jié)果。因此，VO-GMM₄₀-based EC的相角為 ?45° 時(shí)所對(duì)應(yīng)的極高頻率和極小的電阻-電容平衡常數(shù)歸因于吸附離子在高頻下在電極表面上的定向傳輸。值得注意的是，該電化學(xué)電容器還能夠?qū)⑷我獠ㄐ蔚慕涣鞑ǎɡ纾镀瑺?、階梯狀、心電圖、齒狀和再生波形）平滑成直流信號(hào)，表明其作為濾波電容器的出色能力。該工作為石墨烯電極的取向如何影響離子吸附和傳輸行為以及在電極表面實(shí)現(xiàn)定向離子傳輸?shù)哪芰μ峁┝松钊氲恼J(rèn)識(shí)，將有助于未來高性能千赫茲濾波電容器的開發(fā)。

以下是該文章的主要數(shù)據(jù)和機(jī)理圖：

Scheme 1. 石墨烯大孔膜(VO-GMM)的制作過程。(a) 氧化石墨烯 (GO) 溶液。(b) 在聚四氟乙烯模具中定向冷凍澆鑄 GO，將其放置在液氮表面以誘導(dǎo)從底部到頂部的凍結(jié)。(c) 在冷凍干燥和熱退火后獲得垂直取向石墨烯氣凝膠 (VO-GMA)。(d) 通過將 VO-GMA 置于石蠟中垂直于底部并沿橫截面方向切割來制備石蠟切片的石墨烯大孔膜(PS-VO-GMA)。在平滑、修整 (e) 和退火 (f) 后獲得VO-GMM。

Figure 1. 具有不同微觀結(jié)構(gòu)的40 μm厚的石墨烯薄膜 (GMM₄₀) 的表征。(a, d)VO-GMM₄₀、(b, e) 水平取向石墨烯薄 (HO-GMM₄₀) 和無序石墨烯薄膜 (UD-GMM₄₀) (c, f) 的不同放大倍數(shù) SEM圖像。VO-GMA (I)、石蠟 (II)、 PS-VO-GMA₄₀ (III) 和 VO-GMM₄₀ (IV) 的X 射線衍射 (XRD) 結(jié)果 (g) 和拉曼光譜(h)。(i) VO-GMA 和 VO-GMM₄₀的高分辨率C1s的X 射線光電子譜。

Figure 2. 基于 VO-GMM₄₀ 的電化學(xué)電容器的電化學(xué)性能。(a) 相位角與頻率的關(guān)系圖。(b) 奈奎斯特圖（插圖：高頻擴(kuò)展視圖）。(c) VO-GMM₄₀-EC的 f_-45° 和 τ_RC與已報(bào)道的水性電化學(xué)電容器相比較（表 S1）。(d) 虛部面積比電容 (C") 與頻率的關(guān)系圖。(e) C_A與頻率的關(guān)系圖。(f) VO-GMM₄₀-EC 在 1.0 mA cm^-2的電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。

Figure 3. VO-GMM₄₀-EC、HO-GMM₄₀-EC 和 UD-GMM₄₀-EC的電化學(xué)性能比較。(a) 相位角與頻率的關(guān)系圖。(b) 奈奎斯特圖（插圖：高頻放大視圖）。(c)C_A與頻率的關(guān)系圖。(d) VO-GMM₄₀-EC、HO-GMM₄₀-EC 和 UD-GMM₄₀-EC在 200 V s^-1的掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。(e) VO-GMM₄₀、HO-GMM₄₀、UD-GMM₄₀基于模型的 EC的 CV 曲線的 FEA 模擬(外加電壓范圍0~0.8 V，掃描速率192 V s^-1)。(f) VO-GMM₄₀-EC、HO-GMM₄₀-EC 和 UD-GMM₄₀-EC之間的電化學(xué)性能比較。

Figure 4. 材料取向?qū)﹄姌O表面上定向離子傳輸?shù)挠绊憽?/span>(a) 濾波電路的示意圖演示。(b) 正弦交流信號(hào)到直流信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程。(c) 濾波電容器的功能類似于將不穩(wěn)定的水流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定水流的水庫(kù)。d-f) VO-GMM₄₀ (d)、HO-GMM₄₀ (e) 和UD-GMM₄₀ (f) 模型電極吸附離子的表面?zhèn)鬏斒疽鈭D。(g-i) 吸附離子在 VO-GMM₄₀ (g)、HO-GMM₄₀ (h) 和 UD-GMM₄₀ (i) 的電極表面上的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模型，其中在 120 Hz 的交流線路濾波期間施加的電壓為 0.8 V。虛線箭頭表示無量綱電流密度的垂直分布。黑點(diǎn)表示為描述無量綱電流密度分布而選擇的初始點(diǎn)。   

Figure 5. VO-GMM₄₀-EC 的濾波性能。(a) VO-GMM₄₀-EC 與商用 AEC的交流線路濾波性能的比較。(b-f) 基于VO-GMM₄₀-EC 對(duì)任意波形的濾波性能。輸入信號(hào)為刀形 (b)、階梯 (c)、心電圖 (d)、齒形 (e) 和再生 (f) 波形。所有信號(hào)的頻率均為 60 Hz。

致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金 (21703058, 21805072, 21803049, 21972038)，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)拔尖人才項(xiàng)目 (30500738)，青年英才項(xiàng)目 (30500601)，河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目

(192102110053) 的支持。感謝河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代工程實(shí)驗(yàn)中心 (Modern Experimental Technology (Management) Center, Henan Agricultural University) 在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面的支持。

簡(jiǎn)介：王麗霞，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校聘副教授。2016年獲得北京理工大學(xué)博士學(xué)位。目前的研究方向是功能材料的制備及特殊性能電容的研究。迄今為止，已經(jīng)以第一作者或通訊作者在Advanced Materials、Chemical Engineering Journal、Electrochimica Acta、Carbon、Nanoscale 等優(yōu)秀期刊上發(fā)表了數(shù)篇高水平文章。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137561，該文章作者為王麗霞，李洲，宋美榮，徐翠蓮，劉忠虎，賈樹恒，李向榮，劉佳，孟磊，王志敏和王霄鵬。