日前，中國科學院電工研究所馬衍偉研究團隊在石墨烯量化制備及高性能石墨烯基超級電容器方面取得進展，提出以二氧化碳為原料，采用自蔓延高溫合成技術，成功實現(xiàn)了兼具高導電性和高比表面積石墨烯粉體的快速、綠色、低成本制備。相關研究結果已發(fā)表于國際期刊《先進材料》（Advanced Materials， 2017， 1604690），并申請了國家發(fā)明專利和PCT專利。
圖1．自蔓延高溫合成制備石墨烯流程示意圖
石墨烯是近年來備受各國重視的新型材料，但是高品質石墨烯的工業(yè)化大規(guī)模制備一直是世界性難題。目前，石墨烯粉體規(guī)模化制備的技術路線主要基于膨脹石墨剝離法和氧化石墨還原法，但是前者通常得到的是低比表面積的多層石墨片，而后者制備的石墨烯由于殘留的氧官能基團和結構缺陷導致低導電性，嚴重制約了石墨烯的潛在應用。
針對上述問題，該團隊采用二氧化碳為原料，金屬鎂粉為還原劑，納米氧化鎂為模板劑，通過鎂粉在二氧化碳氣氛中自蔓延燃燒方式，成功制備出富含介孔結構的石墨烯，如圖1所示。目前所制的石墨烯電導率高達13000 S／m，比表面積為709 m2／g，綜合性能優(yōu)異，并在離子液體電解液中表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學性能。基于電極材料的比電容高達244 F／g，能量密度高達136 Wh／kg，功率密度高達1000 kW／kg，循環(huán)100萬周后，容量保持率仍大于90％，如圖2所示。該石墨烯制備方法反應過程耗時短、環(huán)境友好、成本低、易于工業(yè)化推廣，將有力促進石墨烯在超級電容器等儲能領域中的實際應用。
圖2．石墨烯基超級電容器的能量／功率性能和循環(huán)壽命
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