近日，合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院從懷萍教授科研團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)等單位合作，成功制備出一種高強(qiáng)度、自支撐、超薄石墨烯薄膜，并成功將該薄膜組裝為全固態(tài)柔性超級(jí)電容器，為下一代柔性電子器件的研發(fā)開辟了新的路徑。其相關(guān)成果以《非共價(jià)鍵誘導(dǎo)石墨烯單層宏觀組裝構(gòu)筑石墨烯薄膜用于柔性全固態(tài)超級(jí)電容器》為題于4月12日發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《Cell》的綜合類化學(xué)期刊《Chem》上（（Chem, 2018, 4, 896-910）。論文的共同第一作者是碩士研究生王郭飛和青年教師秦海利博士。

全固態(tài)柔性超級(jí)電容器可為可穿戴電子設(shè)備提供安全高效的電源，是新一代柔性電子器件的關(guān)鍵設(shè)備。石墨烯作為一種單原子層厚度的二維晶體，兼具優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能，是此類新型儲(chǔ)能器件的理想材料。然而，由于石墨烯納米片之間界面作用較弱，且缺少有效的組裝方法，研發(fā)具有超薄、透明、自支撐的石墨烯薄膜并用作全固態(tài)柔性超級(jí)電容器仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一難題，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化組裝體微納結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)界面作用力相結(jié)合策略，采用宏觀尺度納米組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了這一新型等級(jí)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料的制備。

該課題組通過(guò)單分子原子力顯微鏡測(cè)量手段，在11種不同有機(jī)分子中發(fā)現(xiàn)了與氧化石墨烯之間的作用力最強(qiáng)的分子——三聚氰胺。研究發(fā)現(xiàn)，由于電荷轉(zhuǎn)移與氫鍵的協(xié)同作用，三聚氰胺分子與氧化石墨烯納米片之間的非共價(jià)作用力達(dá)到約1納牛，達(dá)到了共價(jià)鍵的力程。通過(guò)在氧化石墨烯納米片層間引入三聚氰胺分子，相鄰兩層納米片之間的有效接觸大幅增加，使薄膜內(nèi)部氧化石墨烯片層間的相互作用顯著增強(qiáng)，從而制備出具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度的氧化石墨烯薄膜。

圖1.（上）基于石墨烯和三聚氰胺相互作用構(gòu)筑透明超薄石墨烯薄膜；（下）基于單分子原子力顯微鏡研究不同有機(jī)分子與氧化石墨烯之間作用力。

料即可實(shí)現(xiàn)自支撐，并可通過(guò)增減單層膜層數(shù)實(shí)現(xiàn)厚度和性能的可控調(diào)節(jié)。同時(shí)，該薄膜橫向尺寸達(dá)厘米級(jí)，具備可裁剪性和優(yōu)異的拉伸性，且對(duì)強(qiáng)酸強(qiáng)堿高度兼容。

圖2. 基于30納米厚石墨烯薄膜構(gòu)筑全固態(tài)柔性超級(jí)電容器的研究

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型薄膜在可見(jiàn)光550納米處透光率高達(dá)84.6%，經(jīng)過(guò)原位還原后仍然保持優(yōu)異的機(jī)械性能及光學(xué)性能。石墨烯薄膜電阻僅有420方阻。由該薄膜組裝而成的全固態(tài)柔性超級(jí)電容器具有較高的體積電容值、良好的電機(jī)械穩(wěn)定性，展現(xiàn)了優(yōu)異的超級(jí)電容器性能。在循環(huán)充放電7500圈后，該薄膜電容值保留高達(dá)91.4%。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等項(xiàng)目的資助。