王霄鹏博士课题组最近在 Eelectrochim. Acta 上发表研究论文

       本网讯（通讯员 王霄鹏 牛草原）近期，河南农业大学王霄鹏博士和王丽霞博士课题组在Eelectrochim. Acta 上发表了基于表面定向离子传输石墨烯电极的千赫兹电化学电容器《Enabling directional ion transport over graphene electrode surfaces for kilohertz electrochemical capacitors》。王霄鹏博士为通讯作者，王丽霞博士为第一作者和第一通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137561
       滤波电容器是一种电化学储能器件，在现代电子电路中具有实现交流转化为直流电信号的信号稳定作用。传统的滤波电容，铝电解电容通常受限于笨重和刚性的器件配置。具有快速频率响应的千赫兹石墨烯基电化学电容器有望成为下一代滤波电容器。但其通常需要对石墨烯电极进行微观结构调控，以促进有效的电解质离子的渗透作用。目前，通过微观结构调控使得石墨烯电极内部形成垂直定向排布为提高电化学电容器的滤波性能提供了重要的解决方案，但垂直取向赋予石墨烯电极基电化学电容器快速频率响应的潜在机制仍不清楚。
       河南农业大学王霄鹏课题组一直致力于先进功能材料的制备及具有特殊功能存储器件的研究。针对以上问题，王霄鹏博士和王丽霞博士课题组利用定向冷冻干燥、石蜡切片和热退火技术分别制备了具有无序、水平和垂直取向的石墨烯薄膜 (Scheme 1)。并借助电化学、X 射线能量色散谱 (EDS) 的线性扫描及有限元模拟 (FEA) 证明，垂直取向石墨烯电极之所以具有高频响应性能，是因为其在高频下可实现电极表面的定向离子传输。具体来说，基于 40 μm 厚的石墨烯大孔薄膜 (VO-GMM₄₀) 电极 (Figure 1) 的电化学电容器 (VO-GMM₄₀-based EC) 具有最好的频率响应性能，在 −45° 的相位角下表现出最高的频率 12.0 kHz 和最低的等效串联电阻 (ESR) 0.67 Ω。并且在 120 Hz 的频率下，其具有较高的相角为 −81.3°，极小的电阻电容时间常数 (178 μs)，以及较大面积比电容 (143.9 μF cm^-2) (Figure 2,3)。同时可通过调节膜厚度来增大面积比电容且不会牺牲电容器的快速频率响应能力。此外，基于本实验所采用的电解质 0.5 M H₂SO₄，通过 EDS 的线扫测试，发现 VO-GMM₄₀ 电极内 S 元素呈现定向分布梯度，表明其表面离子的定向传输。同时，吸附离子在电极表面上的动态扩散的 FEA 模拟也证实了该结果 (Figure 4)。因此，VO-GMM₄₀-based EC的相角为 −45° 时所对应的极高频率和极小的电阻-电容平衡常数归因于吸附离子在高频下在电极表面上的定向传输。值得注意的是，该电化学电容器还能够将任意波形的交流波（例如，刀片状、阶梯状、心电图、齿状和再生波形）平滑成直流信号，表明其作为滤波电容器的出色能力 (Figure 5)。该工作为石墨烯电极的取向如何影响离子吸附和传输行为以及在电极表面实现定向离子传输的能力提供了深入的认识，将有助于未来高性能千赫兹滤波电容器的开发。河南农业大学的宋美荣、王志敏老师对该工作的机理部分提供了宝贵的建议。该研究工作得到了国家自然科学基金委、河南农业大学高层次人才基金的大力支持。