成果简介
用具有氧化还原活性的有机分子对碳材料进行非共价修饰已被认为是改善超级电容器电化学性能的有效策略。然而，它们的低负载质量、缓慢的电子转移率和容易溶解到电解质中，大大限制了进一步的实际应用。本文，中国石油大学刘征、魏彤教授、哈尔滨工程大学范壮军教授等在《Small》期刊发表名为“Dual Molecules Cooperatively Confined In-Between Edge-oxygen-rich Graphene Sheets as Ultrahigh Rate and Stable Electrodes for Supercapacitors”的论文，研究报告了双分子（1,5-dihydroxyanthraquinone (DHAQ) and 2,6-diamino anthraquinone (DAQ)）协同限制在边缘富氧的石墨烯片之间作为高性能的超级电容器电极。
边缘氧位点上的合作静电相互作用和石墨烯片之间的π-π相互作用导致了双分子的负载质量和结构稳定性的增加。此外，边氧基团和双分子之间构建的电子隧道路径可以有效地提高电子转移率和氧化还原反应动力学，特别是在超高的电流密度下。因此，所获得的电极在0.5A g-1时表现出507 F g-1的高电容，以及前所未有的速率能力（200A g-1时203 F g-1）。此外，组装后的对称超级电容器实现了17.1 Wh kg-1的高能量密度和140 kW kg-1的超高功率密度，以及50 000次循环后86%的显著稳定性。这项工作可能为有机材料在能源储存和转换中的有效利用开辟了一条新途径。
图文导读
图1、双分子修饰边缘富氧石墨烯合成过程示意图。
图2、a） AlRGO的HRTEM图像（白色方框表示石墨烯的缺陷）。b） 氧化石墨烯（GO）、还原石墨烯（BRGO）和AlRGO的X射线衍射（XRD）图案。c） GO、BRGO和AlRGO的拉曼光谱。d） BRGO和AlRGO的微孔尺寸分布。e） GO、BRGO和AlRGO的氧基含量。f） GO、BRGO和AlRGO在N2气氛下的热重分析（TGA）曲线。
图3、a） 裸还原氧化石墨烯（BRGO）和AlRGO对1,5-二羟基蒽醌（DHAQ）、2,6-二氨基蒽醌（DAQ）以及DHAQ&DAQ的吸附能力。b） GO、BRGO、BRGO-DD、AlRGO和AlRGO-DD的傅立叶变换红外光谱（FTIR）。c） BRGO、BRGO-DD、AlRGO和AlRGO-DD的X射线衍射（XRD）图谱。d） 分子修饰前后BRGO和AlRGO的ID/IG比率。e） BRGO和AlRGO分子改性前后层间距的变化。
图4、a） AlRGO、AlRGO-DHAQ、AlRGO-DHAQ和AlRGO-DD在100 mV s−1时的CV曲线。b） AlRGO、BRGO-DD和AlRGO DD在10 mV s−1时的CV曲线。c） BRGO-DD在400 mV s−1时的CV曲线和AlRGO DD在1000 mV s−1。d） AlRGO DD和文献中报道的有机/碳电极的最高扫描速率与保持良好的氧化还原峰的比较。e） 奈奎斯特在0.01Hz到10MHz的频率范围内绘制（插入是相位角和频率之间的关系）。f） 对数i和对数v之间的拟合图。
图5、a） 在0.5至200 a g−1的电流密度下，纯还原氧化石墨烯（BRGO）、BRGO-DD、AlRGO和AlRGO DD的比电容。b） 在不同电流密度下，BRGO和AlRGO在双分子修饰前后的比电容增强。c） 质量负载为2和10 mg cm−2的AlRGO DD的比电容。d） BRGO-DD和AlRGO DD在1 m H2SO4中10 A g−1下的长期循环稳定性。e） 1500次循环后电解质的紫外-可见吸收光谱。
图6、AlRGO-DD//AlRGO-DD对称超级电容器（SSC）的电化学性能
小结
综上所述，我们报告了一种通过静电和π-π堆积相互作用将双分子限制在富含边缘氧的石墨烯片之间的新颖策略。实验和理论结果表明，边缘氧基和双分子之间的强吸附可以构建有效的电子隧道路径，这对快速电子转移和氧化还原反应动力学是有利的。此外，双分子合作吸附在边氧位点上，并被限制在石墨烯片之间，可以有效地增加分子负载，并抑制分子溶入电解质。因此，AlRGO-DD电极表现出很高的电容，即使在200A g-1时也有很好的速率能力，并具有长期循环稳定性。这项工作可能为开发用于能源储存和转换的先进有机/碳电极提供一个新的方向。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202302316
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