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应用Photo-Reduced石墨烯超级电容器:合成、特性和属性gydF4y2Ba

*通信:gydF4y2Ba

东方杨gydF4y2Ba加拿大国家研究委员会,800年Collip圆,伦敦,N6G 4×8,加拿大,gydF4y2Ba电子邮件:gydF4y2Badongfang.yang@nrc.gc.cagydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

Photo-irradiation还原的氧化石墨烯生产石墨烯是一种简化、快速、gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba高效和有毒物质自由选择最常用的化学还原方法。这个过程不仅可以用于生产大量的高质量的石墨烯为大型超级电容器可用在汽车和固定gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储,还可以用来准备少量的石墨烯用于打印、便携、灵活的超级电容器。photo-irradiation过程的主要优势是,它不依赖于使用的化学物质或高温。具体地说,它可以缩短反应时间从几小时到几分钟。此外,photo-irradiation还原石墨烯的设计和制造有明显优势状况自从石墨烯层可以被直接模式结构石墨烯氧化物薄膜。photo-irradiation还原方法的快速发展,gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本和高容量的工业生产石墨烯的这种方法可能成为一个至关重要的过程。本文使用的最新进展photo-irradiation还原法生产石墨烯将审查。本文还将描述photo-reduced石墨烯的特点和其性能时用作积极为超级电容器电极材料。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

电化学电容器;超级电容器;Photo-irradiation减少;光化学还原;光热的减少;减少激光;石墨烯;氧化石墨;photo-reduced石墨烯的比电容gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

石墨烯是一种碳材料,由一个单一的原子层。为了创建高质量和足够数量的石墨烯等工业应用gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储、催化gydF4y2Ba传感器gydF4y2Ba和打印的电子产品,在很大程度上需要简单和成本有效的制备方法。目前,最常见和重要的过程形成氧化石墨烯是通过减少石墨化学。悍马和Offeman的方法(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)是最常见的方式生产氧化石墨,石墨的氧化处理代理如硫酸的混合物、硝酸钠和高锰酸钾。然而,其他修改最近研发了化学还原方法,证明是更有效(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。石墨的氧化剂发生反应,导致增加inter-planar间距氧化石墨和石墨形成的层。当氧化石墨分散均匀等解决方案的水通过声波降解法或搅拌,产生氧化石墨烯。机械搅拌导致较少损伤比声波降解法氧化石墨烯表,但它可以分散需要更长的时间来完成。声波降解法可能造成严重损害的氧化石墨烯片通过减少表从微米到纳米大小。gydF4y2Ba

石墨烯氧化物是减少减少代理肼和NaBH4等。减少使用化学还原氧化石墨烯是一个可伸缩的方法,但不幸的是,常常导致产生的石墨烯相对贫穷的收益率的表面积和电子电导率。使用有毒制剂不仅可以带来一些环境和安全生产风险,但也引入杂质降低石墨烯(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。热或电化学方法也可以用来减少氧化石墨烯生产石墨烯。石墨烯由热处理温度的1000 ?以上产生的石墨烯已被证明对表面积相似的原始石墨烯。热还原具有独特的反应时间短的优点,避免不可控聚合溶剂(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba),加热过程会损害结构的石墨烯血小板创建缺陷和职位空缺,并有可能影响生产的石墨烯的机械强度。热过程还需要巨大的gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba消费,限制了其广泛的商业化。电化学还原氧化石墨烯可以生产石墨烯的几乎相同的结构,以原始的石墨烯。电化学原理降低石墨烯被发现有一个非常高的碳氧比和电子电导率读数高于银(8500 S / m,高于银)。这项技术并没有使用任何有害化学物质,然而,只有一层很薄的氧化石墨烯需要涂层氧化铟锡等导电基片镀膜玻璃可以减少;因此,电化学技术的可伸缩性是一个问题,由于难以沉淀氧化石墨烯在电极散装形式。非常清楚的是,选择的方法减少氧化石墨烯生产石墨烯的质量有很大的影响产生的石墨烯,在面积方面,电子导电率和结构。gydF4y2Ba

最近,它已被证明可以减少石墨烯氧化物photo-irradiation还原法(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。photo-irradiation过程的主要优势是,它不依赖于使用的化学物质或高温。在某些情况下,photo-reduction只需几分钟而不是几小时的化学还原。此外,photo-irradiation降低具有显著优势的制造和集成设计石墨烯状况,和直接模式micro-device制造柔性电子设备(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。photo-irradiation还原方法的快速发展,gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本和高容量的工业生产石墨烯的这种方法可能成为一个至关重要的过程。本文使用的最新进展photo-irradiation还原法生产石墨烯将审查。本文还将描述photo-reduced石墨烯的特点及其性能时使用应用程序活动为超级电容器电极材料。gydF4y2Ba

制备的石墨烯Photo-Irradiation还原过程gydF4y2Ba

photo-irradiation还原的氧化石墨烯生产石墨烯可以实现不同的光源,包括太阳能灯、紫外线、可见光和红外线灯所产生的不同类型的灯,和gydF4y2Ba激光gydF4y2Ba在不同的波段操作。Photo-irradiation还原过程包括各种机制如光热的减少、光化学还原,辅助光化学还原催化剂。通过调整能源、电力、辐照时间、波长光源的长度,以及周围的介质和大气,导率、残余氧含量、孔隙度、表面积和润湿性降低石墨烯可以控制和优化为特定的应用程序。通过混合氧化石墨烯与各种化合物photo-irradiation减少之前,掺杂和复合石墨烯与各种功能可以生产;此后适合广泛应用,如超级电容器和锂离子电池。在本节中,最近发展photo-irradiation还原氧化石墨烯形成石墨烯的各种光源在不同条件参数将简要综述和讨论。乐动体育在线gydF4y2Ba

Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]报道的使用集中太阳能光照射氧化石墨烯纸使石墨烯。氧化石墨烯纸是由干燥的氧化石墨烯溶液悬浮在培养皿中大气条件。根据悍马氧化石墨烯的合成方法。用凸透镜聚焦太阳能辐射照射氧化石墨烯纸脱落,同时减少了氧化石墨烯。还原氧化石墨烯的突然上升引起的温度高达204°C下集中太阳能辐射和热还原过程伴随着颜色的变化和体积膨胀。氧化石墨烯被分解成石墨烯以及释放有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO气体。通常减少剥离过程耗时不到两分钟才能完成。集中获得的太阳辐射聚焦大面积的阳光小梁使用透镜或反射镜可以用来作为热源对光热的减少大量的氧化石墨。由于广泛的集中技术已经存在为商业和工业应用,提供过程热的过程,利用太阳辐射减少氧化石墨烯生产石墨烯gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本、快速和可伸缩的大规模制备石墨烯的过程gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储在汽车、运输和固定应用程序的应用程序gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本和大量的石墨烯是必要的。所面临的挑战将是如何控制质量的这一过程产生的大量的石墨烯作为有限的工艺参数可以控制和优化。gydF4y2Ba

photo-irradiation减少生产少量的石墨烯的方法,一个简单的相机闪光灯或者水银灯可以用来生成光束。王等人。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba)使用一个普通的相机闪光灯photo-reduce冻干的石墨烯氧化物和生产高度相互关联的三维结构的石墨烯具有高表面积和良好的导电性。象牙海岸等人也报道了闪光灯的使用减少独立的石墨烯氧化物电影氙气灯安装在一个共同的数码相机触发瞬时脱氧光热的加热(氧化石墨烯的gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。他们发现,闪过的薄层电阻面积从2.108降低kΩ/平方9.5 kΩ/平方的纯石墨烯氧化物的石墨烯在亲水性显著下降。陈等人。gydF4y2Ba14gydF4y2Ba准备了磷钼酸(PMoA)石墨烯纳米复合材料通过photo-reduction使用高压汞灯。在他们的方法中,一个包含氧化石墨烯醇溶液,PMoA和异丙醇红外辐照的灯。PMoA很兴奋的光子,然后减少电子给体,异丙醇。减少PMoA随后反应与氧化石墨烯(作为电子受体),形成石墨烯和再生PMoA。郭et al。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba)使用公共浴室红外线灯的275年减少石墨烯氧化物的光源。虽然gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba红外光子的低,吸附石墨烯氧化物薄膜的红外光线也不到紫外线和可见光,密集的红外光线的吸附氧化石墨烯可以增加其温度迅速诱导热还原。郭等人也发现红外光功率密度的石墨烯的结构和性质有很大影响。在高功率密度红外,还原反应激烈,产生高度多孔石墨烯由于快速脱气和剥离的氧化石墨烯表。在相对gydF4y2Ba低gydF4y2Ba红外光谱强度,减少过程相对缓慢,产生更少的多孔石墨烯。gydF4y2Ba

尽管photo-irradiation还原氧化石墨烯的各种灯是一种简单、快速、不含化学物,gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba有效的过程,只有合适的产生一个小的石墨烯薄膜设备或应用程序的质量状况,如传感器,可打印电子和小gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba便携式电子设备的存储设备。gydF4y2Ba

增加的程度和比例的石墨烯氧化物减少,photo-catalysts TiO等gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,BiVOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,被添加到氧化石墨烯溶液或电影。紫外/可见光辐照下,解决方案或电影photo-catalysts吸收光子,变得兴奋。激动的photo-catalysts放弃氧化石墨烯的电子接受诱导其还原成石墨烯。光催化剂辅助还原法也提供了一个使graphene-metal氧化物复合材料的新方法,可以作为活性材料gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储设备。威廉姆斯et al。gydF4y2Ba16gydF4y2BaTiO)使用gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba作为光催化剂和一个凸肚450 W氙弧灯作为光源进行UV-induced TiO光催化还原的氧化石墨烯gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba石墨烯氧化物胶态悬浮体。确保统一TiO的辐照gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/氧化石墨烯悬浮液,氮气泡沫通过悬浮溶液诱导风潮。由于现有TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba粒子,提高了氧化石墨烯的还原程度和剥落石墨烯是避免崩溃。杨et al。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]也合成氧化石墨烯/ TiO的减少gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba复合材料结合TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在紫外光照射下,氧化石墨烯(254海里,18 W,飞利浦)基于威廉斯的方法的修改版本。他们调查了TiO的影响gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba内容在氧化石墨烯的还原程度的合成石墨烯/ TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba通过不同重量比例的氧化石墨烯复合材料:TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba1:1.5在1:0,1:1,1:2,1:2.5。他们发现,与TiO的越来越多gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba氧化石墨烯的比例,减少增加。石墨烯氧化物:TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba1:2的比例,哦,羧基和羰基官能团,在氧化石墨烯的边缘完全移除。Akhavan和Ghaderi调查了光致光催化还原氧化石墨烯薄膜的沉积TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba底物在乙醇溶液(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。不同辐照时间被用来准备石墨烯薄膜,光催化还原4 h后,C的浓度,C = O, O = C哦债券被发现减少到73%,85%,和72%,分别,这是准确有效的还原的氧化石墨烯形成石墨烯。除了最常用的光催化剂,TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba吸收紫外线,其他photo-catalysts也可以使用。例如,Ng et al。gydF4y2Ba17gydF4y2Ba用钒酸铋(BiVOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba减少氧化石墨烯)作为光催化剂。他们报告说,BiVOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba可以使用可见光而不是紫外线通过TiO吗gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba减少氧化石墨烯。这些作者认为这个发现更大的带隙gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba和更长的电子BiVO一生的兴奋gydF4y2Ba_4gydF4y2BaTiO相比gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,可以更好地利用可见光和最小化光电子重组。gydF4y2Ba

碳氮比较原子大小和它有5个价电子,形成强大的价债券与碳原子,因此石墨烯的化学掺杂N可以有效地修改其固有的电子和化学性质。N-doping可以导致较高的正电荷在氮原子在石墨烯碳原子相邻。已经证明,氮掺杂石墨烯(N-graphene)更高的electro-catalytic活动减少过氧化氢和氧比石墨烯(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba和更好的性能在锂离子电池的应用程序gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。黄等。gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]简单photo-reduction N-graphene合成的石墨烯氧化物沉积在镍泡沫在北半球gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba的气氛。在他们的实验中,石墨烯氧化物第一次涂上泡沫镍框架没有任何粘合剂,然后,石墨烯氧化物沉积在镍泡沫是由高压汞柱灯辐照在NH (500 W)gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(99%)gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba示意图所示在gydF4y2Ba图。1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

这种方法所示gydF4y2Ba图。1gydF4y2Ba可以减少氧化石墨烯与诱导氮掺杂石墨烯在一起。nitrogen-doped内容可达5.99 %只有15分钟的辐照。nitrogen-doped石墨烯沉积在镍泡沫可以直接用作超级电容器的电极,不添加任何导电剂这样的炭黑和聚合物粘结剂如聚四氟乙烯。李等人。gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)使用简单的辐照方法合成N-graphene薄膜从石墨烯氧化物薄膜。减少和氮掺杂的石墨烯在NH同时通过辐照gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba气氛,和含氮量N-graphene可能高达12.34,%的只有5分钟内照射。较长的辐照时间120分钟,N含量将达到一个非常高的17.21%的价值。相比,氧化石墨烯薄膜的辐照氩气氛,在NH辐照gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba更有效地改善其导电性。这是归因于氮掺杂和氧气减少,两者都可以有效地提高电导率。机制photo-induced N-doping的石墨烯被认为与photo-dissociation NH3气体生成氮自由基。然后氮自由基反应与氧化石墨烯通过自由基加成反应。电子辐照下生成可以被氧化石墨烯导致其减少。gydF4y2Ba

相比其他光源用于photo-reduction的氧化石墨烯,激光有很多区别的性质:(i)激光束可以集中在很小的斑点,达到一个非常高的gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba密度,因此,可以非常有效的氧化石墨烯的还原;(2)可以选择波长的激光紫外线,可见光和红外范围,因此氧化石墨烯可以减少光热的或光化学还原或两个机制根据需求;(3)激光可以集中,在很远的地方由于他们旅行gydF4y2Ba低gydF4y2Ba散度和时间相干性,因此他们可以用来直接减少/模式石墨烯氧化层薄膜设备所以他们的权力。gydF4y2Ba激光gydF4y2Ba和短脉冲峰值功率强劲,如飞秒和皮秒激光器,也使非线性多光子相互作用中的石墨烯氧化物可能导致更多的重点完全de-oxygenation石墨烯并创建与更多孔石墨烯和弯曲的结构。黄等。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba)使用KrF准分子激光操作在248海里,200年乔丹和5赫兹照射氧化石墨烯溶液中包含一个石英管。他们发现大多数的含氧官能团在氧化石墨烯被脉冲准分子激光的照射到解决方案。石墨烯薄膜准备辐照方法有薄层电阻的53.8 kΩ/平方。杨et al。gydF4y2Ba23gydF4y2Ba)也使用KrF准分子激光照射氧化石墨溶液由分散氧化石墨烯在水中Milli-Q由声波降解法治疗。氧化石墨烯溶液在石英瓶被KrF辐照准分子激光在300 mJ或530 mJ梁gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba10 Hz重复1小时或2小时,分别。氧化石墨溶液的颜色从褐色黄颜色的变化被发现黑色的长时间照射后。结果再次证实了准分子激光辐射紫外线波长(248海里)可以减少石墨氧石墨烯在水溶液中快速。杨等人然后评估激光减少在不同的激光条件二电极石墨烯制备超级电容器单元为了了解激光的影响参数对激光的supercapacitive行为减少了石墨烯。王等人。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)也使用聚焦激光束通过同步制造几层石墨烯氧化石墨剥离和还原。在他们的实验中,一块石墨烯氧化物泡沫压在0.2∼0.5 MPa,形成一个相对致密的氧化石墨烯片减少激光实验。所使用的激光是一种连续波gydF4y2Ba半导体gydF4y2Ba激光波长为808 nm。在减少激光实验中,激光功率是~ 1 W(相应的功率密度大约是127厘米gydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}),氧化石墨烯薄片放在石英管直接在环境条件,并与激光辐照1左右。激光还原氧化石墨烯膜形成石墨烯膜也报道了Romualdas Trusovas et al。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。他们首先形成氧化石墨烯的电影20 nm左右的过滤水氧化石墨烯悬浮液通过聚碳酸酯膜在水介质过滤器。石墨烯还原氧化石墨的电影是由扫描聚焦激光束,诱发光热的石墨烯氧化物的分解。皮秒激光器(PL10100 10 ps, 100 kHz, Ekspla)英国和纳秒激光(NL15100 10 ns 20 kHz, Ekspla)英国被用于减少。微微秒激光使用1064 nm和532 nm波长而纳秒激光波长532纳米。最佳的激光功率是在10 - 100兆瓦(对应于激光影响范围的F = 0.01 - -0.3 J /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba),这取决于样品厚度。氧化石墨烯薄膜的电阻下降了4 - 5订单后与皮秒波长1064纳米的激光辐照表明石墨烯的形成。进行实验氮和氩气氛,Romualdas Trusovas et al .,取得了较高的I2D / ID比拉曼光谱表明更高程度的脱氧作用。为了了解激光的基本面photo-reduction过程解决方案,Gengler et al。gydF4y2Ba27gydF4y2Ba)进行了一系列瞬态吸收实验。他们观察到一个超速photo-induced连锁反应,这是由飞秒紫外激光脉冲。激光脉冲第一photo-ionizes溶剂,然后解放溶剂化电子,引发氧化石墨烯的还原。gydF4y2Ba

两个主要机制占photo-reduction石墨烯氧化物:光化学和光热的削减,在没有任何光催化剂。在光化学事件,吸收光子的石墨烯氧化物直接导致共价键断裂。阈值photo-reduction光子能量的氧化石墨烯被发现超过3.2 eV(λ<≈390海里)为了一个光化学过程进行(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。在光热的事件,光子gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba在氧化石墨烯被电子吸收。当光子/电子gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba传输效率足够高,激发电子可以加热晶格提高局部温度和诱导债券打破导致还原的氧化石墨烯。当不同的激光源用于photo-reduction氧化石墨烯的还原可以进行光化学或光热的过程,或继续通过两者的结合gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba根据波长,gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba和脉冲持续时间。原则上,减少通过波长小于390纳米的激光将主要进行光化学过程;而对于gydF4y2Ba激光gydF4y2Ba与波长大于390纳米,减少收益主要通过光热的过程。然而,对于一些紧密集中超快速激光,可能出现两个——/多光子吸收和激光热弛豫普遍存在。减少激光可以使用和光热的光化学效应。多光子电离发生的激光强度需要在1012 W /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba1016 W /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

Photo-reduction石墨烯氧化物的激光是一种简单的方法快速地生产高质量的石墨烯,并展示了其令人兴奋的潜力,然而,小光斑大小和激光束穿透深度差限制了其应用主要用于脱氧的氧化石墨烯薄膜(通常是在几层),而不是生产大量的石墨烯。高功率和大束的大小gydF4y2Ba激光gydF4y2Ba然而,如准分子激光可以用来生产相对大量的石墨烯使用配置如流动的细胞中氧化石墨烯溶液连续流经一个石英电池,准分子激光辐照石墨氧化物转化成石墨烯。因此产生的石墨烯可以搜集在一个接收水库位于下游。gydF4y2Ba

Photo-Irradiation降低石墨烯的表征gydF4y2Ba

XRD透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM), x射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外gydF4y2Ba光谱学gydF4y2Ba(红外光谱)、拉曼和x射线光电子gydF4y2Ba光谱学gydF4y2Ba(XPS)是最常见的技术来评估photo-reduced石墨烯和氧化石墨烯。高分辨率透射电镜和扫描电镜可以清楚地展示photo-reduced石墨烯和氧化石墨烯样品的表面形态。它们可以用来证实表皮脱落的程度和保存后的薄片状结构photo-reduction过程。任何photo-induced折叠,起皱或放置的石墨烯表可以清楚地看到两种技术。TEM和SEM结果用于指导photo-reduction工艺参数的选择,以创建所需的结构匹配特定的应用程序需求。作为一个例子,gydF4y2Ba图。2gydF4y2Ba的SEM显微图显示,氧化石墨和石墨烯(rGO) / TiO的降低gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba合成材料的各种重量比率由杨et al。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba通过结合TiO)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在紫外光照射下,氧化石墨烯。二维表中清晰可见gydF4y2Ba图。2gydF4y2Ba。在氧化石墨:TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba1:1的比例,只有少量的TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba附加到氧化石墨表面所示gydF4y2Ba图2 b。gydF4y2Ba。在增加石墨氧化物:TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba比1:1.5,TiO的越来越多gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba是观察到氧化石墨表面的沉积所示gydF4y2Ba图2 c。gydF4y2Ba然而,在这个比率,减少氧化石墨烯不完整和TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba不能插入到石墨烯层。进一步提高氧化石墨:TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba比1:2gydF4y2Ba图2 d。gydF4y2Ba石墨烯氧化物的数量,增加,减少允许更多的TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba设置成石墨烯之间的空间。随着氧化石墨:TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba比例增加1:2.5gydF4y2Ba图2 e。gydF4y2Ba更TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba粒子插入石墨烯薄片,导致高度的剥落石墨烯片的放置和更少的机会。TEM的形象和rGO / TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba复合材料gydF4y2Ba在gydF4y2Ba图2 f。gydF4y2Ba表明,粒状TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2BarGO表面粒子被放置在紫外线photo-reduction过程。gydF4y2Ba

确认photo-reduction使石墨烯的氧化石墨烯是由x射线衍射模式,通常是用CuKα辐射(k = 1.54)。石墨烯氧化物显示一个峰值在2θ10°左右,由于衍射模式从它的(002)面与d-spacing约0.9纳米,而石墨的衍射峰在2θ= 27.5对应d-spacing 0.340 nm)的多次比氧化石墨烯。d-spacing的增加(即连续碳层之间的距离)为氧化石墨烯氧化物是由于引入官能团的碳基底平面通过化学氧化反应。通常,photo-irradiation还原后的石墨烯氧化物,x射线衍射峰的强度位于10 o将减少或完全消失。两个特点广泛的高峰将出现在24°和43°因(002)和(100)飞机的石墨烯。gydF4y2Ba

10°峰值强度越小,越完整的石墨烯氧化物减少,因此这个XRD峰可以用来证实photo-reduction的石墨烯氧化物的程度。的富有想象力的峰值出现在24°43°photo-reduced石墨烯可以归结由于小尺寸的层或短域名堆叠的顺序表,这样露骨的程度可以揭示photo-reduced石墨烯的大小。缺乏石墨峰的XRD模式是一个好的迹象photo-reduced石墨烯保持清新,和拥挤无序,尽管他们强烈π-π交互。杨et al。gydF4y2Ba23gydF4y2Ba)表明,准分子激光辐照可以完全删除2θ的XRD峰位于峰12°(001)衍射峰对应的氧化石墨的放大d-spacing 7.38所示gydF4y2Ba图。3gydF4y2Ba。在gydF4y2Ba图。3gydF4y2Ba测量、x射线衍射模式从氧化石墨和石墨烯薄膜由drop-casting氧化石墨和石墨烯水溶液在Si(100)晶片。gydF4y2Ba

石墨烯水溶液捏造了准分子激光辐照还原氧化石墨的解决方案在300年乔丹和1 h, 300年乔丹和2 h和530年乔丹和2 h。248海里准分子激光辐照后在300年乔丹和1 h, 300年乔丹和2 h和530年乔丹和2 h,峰值在2θ12°消失了。因此,XRD的结果证实,氧化石墨的脱氧作用表发生几乎完全为所有研究激光辐照条件。Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba)也表明,集中太阳能光辐照可以完全移除XRD峰位于9.68°确认由太阳辐照石墨烯氧化物的还原。这两个特点广泛的峰值出现在23.7°和42.7°后减少太阳能。gydF4y2Ba

相机灯闪减少独立的石墨烯氧化物的电影报道Cote et al。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)也显示氧化石墨烯峰消失从XRD模式和国外高峰集中在22.5°出现,这是角略低于峰值对太阳能减少了石墨烯,表明更大的石墨烯d-spacing表。自flash辐照石墨烯氧化物在这项研究中发生原位固态,d-spacing造成较大的还原石墨烯保持清新的显微镜下减少炸药IR-irradiation受雇于郭el al。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba降低石墨烯氧化物在NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和空气形成石墨烯,产生广泛和更低的峰值强度在2θ= 24.6°,24.3°。这些2θ角度的红外降低石墨烯比石墨烯由太阳能灯和摄像机灯闪。这些x射线衍射结果表明,红外降低石墨烯氧化物表小的尺寸和更乱堆放。nitrogen-doped石墨烯的XRD模式由黄等。gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba)使用Hg灯照射不不同un-doped石墨烯和疲软的宽峰位于约24.5°还可以看到指示N掺杂不影响使用Hg灯photo-reduced石墨烯的结构。激光辐照还原也已被证明能够去除氧化石墨烯峰在2θ= 10°。王等人。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]显示连续波激光辐照后在环境条件下,氧化石墨烯的尖锐特征峰11°消失而新的广泛的高峰集中在2θ= 24.1 ?观察,对应的层间间距3.69 ?。广泛的和弱强度意味着石墨烯氧化物是有效的清新,和随机聚合形成无序固体。非常弱的和广泛的峰值在2θ= 24 ?也观察到黄等。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba和杨et al。gydF4y2Ba23gydF4y2Ba)当他们使用一个准分子激光降低石墨烯氧化物形成石墨烯在水溶液。而且非常富有想象力的gydF4y2Ba低gydF4y2Ba24°峰值强度laser-reduced石墨烯氧化物表明激光辐照可以将氧化石墨烯表分解成很小的尺寸的层或创建一个非常短的由于高域堆叠的顺序表gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba激光束相对于其他的光源不一致。gydF4y2Ba

红外gydF4y2Ba光谱学gydF4y2Ba是另一个重要的方法来描述债券各种官能团的振动前后石墨烯氧化物photo-irradiation减少。氧化石墨烯的在一个典型的红外光谱吸收带由于O−H, C = C和C−O。地在~ 1396厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba(羧基)和~ 3223厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba(广义耦合)是起源于羧酸组振动,而C = C ~ 1631厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba是归因于un-oxidized sp的骨架振动gydF4y2Ba^2gydF4y2BaC = C键。哦的拉伸债券(苯基羟基),那么出现~ 1100厘米左右gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。有时,由于水分存在于样本,地伸展振动在3423厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba也被发现。当石墨烯氧化物减少石墨烯photo-irradiation后,相关吸附带氧功能如地,切断变得较弱或完全消失在红外光谱。乐队由于C = C骨架振动在1631厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba仍然存在。Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]表明,集中太阳能光辐照可以完全删除所有相关吸附带氧功能确认的总还原氧化石墨烯的太阳能辐射。相机灯闪烁的独立的石墨烯氧化物的电影(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)可以消除几乎所有的红外波段对应于羧酸(1630 - 1730厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba),苯羟基(约1100厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba(约930厘米),环氧组gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)。闪过电影还显示减少传输的红外光谱,即导电石墨烯的特征。然而,当红外光线是用来降低石墨烯氧化物郭et al。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba),切断乐队(羧基切断在1410厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在1223厘米和环氧树脂切断gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba羰基)和C = O (C = O 1730厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)组仅在减少但是不能完全清除。这表明脱氧反应是没有完成的红外辐射。乐队在1575 - 1625厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba芳香的C = C组un-oxidized石墨骨架依然强劲的傅立叶变换红外光谱所示gydF4y2Ba图。4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

不完整的还原氧化石墨烯的红外光线可能是由于较低的光子gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba比紫外和可见光红外光线。减少氧化石墨烯的含氧集团使用紫外准分子激光脉冲激光辐照也证实了红外光谱gydF4y2Ba光谱学gydF4y2Ba(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。石墨烯氧化物后降低了准分子激光,所有的特征吸收带的含氧组(C = O 1726厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba地,1402厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在1104厘米,切断gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)几乎被消除,这表明紫外激光可以非常有效地降低石墨烯氧化物。gydF4y2Ba

等确定信息障碍,边缘和晶界,厚度、掺杂、应变photo-reduced石墨烯的拉曼是一个优秀的技术选择。拉曼gydF4y2Ba光谱学gydF4y2Ba通常用在1000厘米吗gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba到3000厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba激光激发波长为514.5 nm, 532 nm或632.8海里。拉曼光谱的碳(如石墨,石墨烯和氧化石墨烯)显示两个主要峰值对应于D和G带,分别。D乐队与缺陷有关,而G带对应于sp的振动gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba结合二维六角形晶格原子。强度比(ID / IG) D和G峰值总是用来确定障碍的程度在石墨烯和氧化石墨烯的结构。通常,G带石墨是夏普和出现在1570厘米左右gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba而广义D乐队出现在1340厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。后石墨被氧化形成氧化石墨烯化学,各种含氧官能团引入石墨的结构。结构变化导致了D和G带转向更高的频率对石墨伴随着G带的扩大。强度(ID / IG)比例也高于石墨。photo-irradiating还原的氧化石墨烯后,G带的位置转向较低的频率与氧化石墨烯和石墨烯的ID / IG比率也变得更低,这是由于sp的恢复gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba网络照片后减少。拉曼光谱研究的太阳能辐照石墨烯氧化物减少了Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba)表明,太阳能的ID / IG比率降低石墨烯是减少从1.25到0.79(石墨的值是0.21)和G带的位置转向低频率。当红外光线用来减少氧化石墨烯(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]为0.64 W /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba5分钟的空气和NgydF4y2Ba_2gydF4y2BaG带位于约1599厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba对氧化石墨烯转移到1590厘米左右gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba更接近于原始的石墨所示gydF4y2Ba图。5gydF4y2Ba,这是一个迹象表明还原氧化石墨烯的红外辐射。I2D / IG面积比从0.093石墨烯氧化物增加到0.143红外降低石墨烯在NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和0.128在空气中。类似于ID / IG比率,I2D / IG比率也与复苏sp的程度有关gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在石墨结构C = C债券。I2D / IG的增加而不是减少(如减少在太阳的情况下)可能表明红外辐照分解氧化石墨烯成小块甚至尽管de-oxygenation的石墨烯氧化物还原的石墨结构应该增加I2D / IG比率。gydF4y2Ba

类似的现象观察准分子激光降低石墨烯据黄等(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba),氧化石墨烯的ID / IG比率脉冲激光辐照后从1.03增加到1.08。通过使用经验Tuinstra-Koenig关系,sp的ID / IG比率有关gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba集群大小(gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba),作者得出结论,spgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba集群大小略有减少~ 4.3 ~ 4.1 nm脉冲激光辐照后5分钟。连续在808 nm激光操作时用来降低石墨烯氧化物,然而,激光降低石墨烯的ID /搞笑却降低了从0.97到0.91表明石墨结构的恢复。在248 nm脉冲准分子激光器相比,连续808海里gydF4y2Ba半导体gydF4y2Ba激光已经gydF4y2Ba低gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba光子,这可能是一个更少的破坏性的方法打破石墨烯表更小的尺寸。gydF4y2Ba

XPS是一个非常有用的方法来揭示各种官能团的变化前后photo-reduction非常有用的信息来帮助理解机制的photo-irradiation还原过程。XPS检测C、O、N (N型石墨烯)元素在深度7 - 10纳米氧化石墨烯和石墨烯样品的检测范围从0.1 - 0.5根据元素的原子百分比。通常,一项调查进行扫描分析分析面积数百微米确定组成元素的原子百分比。然后执行高分辨率分析c1, o1群和n1 (n型石墨烯)的百分比来确定不同的官能团,如O C = O, C = O,噢,C-O-C, C-NC-C,碳氢键,C = C, nhgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba通过曲线拟合,R = N-R。XPS分析太阳能辐照石墨烯氧化物减少了Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]显示碳碳的峰强度增加显著而切断(环氧树脂、羟基)和C = O(羰基组)在高分辨率c1光谱急剧减少。XPS结果标明有效去除碳碳石墨结构的含氧官能团和恢复后太阳能还原的氧化石墨烯。C / O原子比率是2.7和6.1为氧化石墨烯和太阳能减少了石墨烯,分别。当一个红外光线被用来减少氧化石墨烯(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba],C / O原子比例增加从2.7氧化石墨烯为石墨烯减少8.3 NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分别减少7.7,石墨烯在空气中,确定更有效的de-oxygenation石墨烯减少红外光比太阳能光。高分辨率的XPS谱显示gydF4y2Ba消除gydF4y2Ba大部分的切断和C = O组红外辐照后。切断乐队(286.2 eV)更明显降低了石墨烯减少NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba比在空气这表明氧化石墨烯的还原氮更完成。准分子激光还原氧化石墨烯的报道黄等(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba)还表明,含氧官能团(噢,切断和C = O)脉冲激光辐照后已经显著下降。高分辨率的XPS谱表明,切断(环氧和烷氧基)和C = O山峰的c1脉冲激光的光谱区域减少石墨烯氧化石墨烯从38.1%和14.3%减少值到8%和7.6%,分别。这些结果表明,大部分的含氧官能团脉冲激光辐照后也被删除。王等人。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]还利用XPS表征连续激光降低石墨烯和表明,C / O原子比率从2.91增加到7.47激光降低石墨烯的氧化石墨烯,证实了在激光辐照过程中部分还原的氧化石墨烯。高分辨率c1光谱表明,C哦的强度,和切断债券大大减少,而碳碳/ C = C的峰值强度显著增加,这表明共轭石墨烯网络部分恢复,一些表面的含氧官能团仍然保留激光还原后的石墨烯。黄等。gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba)用XPS表征石墨烯氧化物涂层的基本成分镍泡沫Hg灯照射下NH后样品gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba所示gydF4y2BaFigure.6gydF4y2Ba。氧化石墨烯的c1和o1群峰的XPS全扫描谱所示gydF4y2BaFigure.6agydF4y2Ba。辐照后在北半球gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba大气,N XPS谱信号的出现表明N降低石墨烯的引入。N-graphene C / O原子率从4.64到7.26,增加照射时间从15分钟增加到90分钟gydF4y2BaFigure.6bgydF4y2Ba,这表明更多的氧气含官能团的消除。理解NH的角色gydF4y2Ba_3gydF4y2Baphoto-irradiation还原过程中,氧化石墨烯被辐照下30分钟的基于“增大化现实”技术gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba进行比较。XPS谱在北半球gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba和基于“增大化现实”技术gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba所示gydF4y2Ba图。gydF4y2Ba6 c。石墨烯的C / O原子比率是4.51,当辐照下的基于“增大化现实”技术gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba虽然是5.80在北半球gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba。的结果gydF4y2BaFigure.6cgydF4y2Ba,表明NHgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba促进了还原氧化石墨烯的除氮掺杂。氧化石墨烯的高分辨率c1 XPS谱gydF4y2BaFigure.6dgydF4y2Ba显示了两个主要的峰值,可以安装到C = C /碳碳(284.6 eV),切断(羟基和环氧树脂,286.7 eV), C = O(羰基,287.7 eV)和O C = O(羧基、288.9 eV)官能团。后photo-irradiation NH下gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba大气,高分辨率c1 XPS谱gydF4y2BaFigure.6egydF4y2Ba,只显示一个主要峰小尾巴在更高的约束力gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba地区。gydF4y2BaFigure.6egydF4y2Baphoto-irradiation后表明,C = C /碳碳键成为主导和羟基和环氧树脂gydF4y2Ba物种gydF4y2Ba切断,C = O显著减少。一个新的峰值出现在285.8 eV归因于碳氮键,来自掺杂的氮原子。曲线拟合的高分辨率的XPS谱n1gydF4y2BaFigure.6fgydF4y2Ba揭示了四种可能的山峰位于398.4,399.5,400.4,和401.3 eV。这可能表明,掺氮可能存在四种可能的官能团,即pyridine-like amino-like, pyrrolic-like,分别和graphitic-like氮。gydF4y2Ba

photo-reduced的表面积氧化石墨烯是一种重要的参数来确定多少可以存储在一个超级电容器充电。典型的氮气被用来确定photo-reduced石墨烯的吸附/解吸等温线。photo-irradiation的BET比表面积降低石墨烯可以从吸附/解吸等温线计算。石墨烯的理论面积大约是2630米gydF4y2Ba^2gydF4y2BaggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

太阳降低石墨烯由Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba273.2被发现gydF4y2Ba^2gydF4y2BaggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba,价值远低于理论,表明太阳能减少石墨烯并不完全清新,和一些多层石墨层仍然存在。相比之下,激光降低石墨烯王Dewei报道等。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)显示了一个令人印象深刻的520.086米高的比表面积gydF4y2Ba^2gydF4y2BaggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。闪光灯的打赌表面积减少石墨烯被发现733米gydF4y2Ba^2gydF4y2BaggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba高于太阳能光和激光降低石墨烯(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。的gydF4y2Ba低gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba闪光灯似乎产生更少的损害产生的石墨烯。gydF4y2Ba

评估photo-reduced石墨烯的电化学性能时使用作为超级电容器的电极活性材料,循环伏安法(CV)和恒电流充电/放电测量通常使用两个电极与水或三电极系统,有机或离子液体电解质。简历的测量进行了在不同的潜在范围取决于溶剂使用的稳定性。gydF4y2Ba

简历扫描率变化从几mV /秒到几V /秒。近似矩形的外观是一个双电层电容器的特征。扭曲的理想矩形通常是由于含氧官能团的氧化还原过程留在photo-reduced石墨烯。恒电流充电/放电曲线得到了各种电流密度从< 1 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba十分之几个ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。对称三角形特性准确的双电层电容行为。gydF4y2Ba

比电容的放电曲线的斜率决定。高的电荷储存电容值是好大的表面积,指标最佳孔隙度和高导电性。终身和耐久性评估、恒电流充电/放电测量在一个固定的电流密度趋近成千上万的周期。进行电阻抗谱测量也和石墨烯电极的奈奎斯特图等所选频率范围从0.1赫兹到1000赫兹的通常是记录。gydF4y2Ba

尼奎斯特图,解决电阻(Rs)可以获得真正的轴截距在高频区域。半圆代表界面电荷转移电阻(Rct)和界面电容(Cs)并联连接在电极/电解质界面。更垂直的情节是在低频区域,更密切的超级电容器的行为是一种理想的电容器。高频的过渡区半圆的中频半圆与华宝抵抗(W)。gydF4y2Ba

应用Photo-Irradiation减少石墨烯超级电容器gydF4y2Ba

超级电容器、超级电容和电化学电容器(ECs)gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储设备存储gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba电荷在电极表面。作为最有前途的一个gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储设备,高功率密度的超级电容器具有独特的特性,充电时间短,循环寿命长,以及环境友好。超级电容器与增加gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba密度极大的需要等实际应用插件混合动力汽车,风力涡轮机gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储、再生打破冷启动的卡车和太空探索应用程序(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

超级电容器的类可以分为两种类型。第一个是电双层电容器(EDLC)的电容来自纯静电电荷积累在电极/电解质界面。EDLC使用高表面积碳,如活性炭、碳纤维、碳纳米管和石墨烯作为电极活性材料;的gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储容量是强烈依赖于表面积的电极活性物质的电解液离子。gydF4y2Ba

第二种类型的超级电容器使用pseudo-capacitive和电化学活性材料、金属氧化物和导电聚合物等,快速、可逆的感应电流的过程发生在表面和内部的材料。gydF4y2Ba图。7gydF4y2Ba提供的示意图说明EDLC使用多孔电极材料(gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

尽管如此,金属氧化物和导电的特定pseudo-capacitance值gydF4y2Ba聚合物gydF4y2Ba通常超过碳材料的双层电容由于涉及感应电流的电荷转移反应,可怜的循环稳定性和相对缓慢的感应电流的电荷转移反应pseudo-capacitive材料禁止他们的应用程序的高功率的情况下,持久的和可靠的gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba设备是必要的。因此,高表面积碳材料仍然是超级电容器的研发重点。石墨是碳的一种形式,具有很高的理论面积,即。,substantially higher than activated carbon which is the more common electrode active material, thus potentially allows more storing of electrostatic charge. In addition, the conductivity of graphene is close to that of pristine graphite, which is 2~ 3×105 S/m, and it is much higher than activated carbon which is only 10–100 S m^1gydF4y2Ba。石墨烯的平面结构也允许快速充电和放电,因为电解质离子很容易进出的大表的表面区域。石墨烯也是生态友好,与大多数其他形式的gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储电池等。石墨烯超级电容器的理论上限是550 F (ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba如果整个理论可以利用石墨烯表面。尽管205 F g的相对较高的比电容gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba石墨烯材料的报道(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba),F值约150 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba更常见的实现。的gydF4y2Ba低gydF4y2Ba比电容的石墨烯相比,其理论价值主要是由于高放置倾向的石墨烯由于π-π电子之间的相互作用相邻表。放置后,石墨烯转换为石墨结构和不再具有高表面积的单层石墨烯。这将导致减少其电荷存储功能(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

石墨烯合成通常使用化学还原方法显示gydF4y2Ba低gydF4y2Ba电荷存储性能由于不可逆聚集和放置的石墨烯薄片,这对于高是不可取的gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba和良好的耐久性超级电容器的实际应用(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba]。作为一个成本有效的替代化学和热还原方法,减少photo-irradiation方法创建一个无序波纹石墨烯结构中相邻表不再是面向彼此平行。这个过程不仅可以用于生产大量的石墨烯对大型超级电容器可用在汽车和固定gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储,还可以准备少量的石墨烯用于便携式和灵活的小型或薄膜超级电容器。此外,氧化石墨烯的photo-reduction解决方案使得它特别吸引人生产石墨烯复合材料与其他材料,如金属纳米粒子通过预先混合,金属氧化物和导电聚合物。在本节中,石墨烯的独特性质和性能产生的photo-irradiation还原过程对超级电容器应用程序将回顾和讨论。gydF4y2Ba

氧化石墨的石墨烯减少太阳辐射作为超级电容器的电极活性物质和评价。k . Mohanapriya et al。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba)测量了太阳的比电容降低石墨烯在6米KOH水溶液电解质和EMIBF4在室温下离子液体电解质。特定的电容值为265.9 g FgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba1 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和211 F ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba10 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba确定太阳能KOH降低石墨烯在6米。相比之下,187.1 g F的比电容gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba获得了在EMIBF4电解质。聚焦阳光降低石墨烯的性能相比,由其他还原石墨烯材料的合成技术。例如,石墨烯由火焰减速比电容值为212 F ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba1 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在6米KOH (gydF4y2Ba38gydF4y2Ba),而产生的石墨烯化学还原使用水合肼g 135 F的值gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在0.01 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在KOH(5.5米gydF4y2Ba39gydF4y2Ba),并使用肼化学降低石墨烯气体g 205 F的值gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在0.01 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在30% KOH (gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。这种高价值的比电容可以归因于高表面积,gydF4y2Ba低gydF4y2Ba程度的放置和高导电性的石墨烯太阳能减少。gydF4y2Ba

王等人。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]研究相机闪光降低石墨烯的性能在一个硬币电池超级电容器。两个程序都使用flash将石墨烯;即。,pre-FCG, in which bulk graphene oxide (Freeze-dried) is first converted to graphene and then cast onto a current collector, and post-FGG in which the graphene oxide solution is first cast onto the current collector and then converted to graphene. Graphene that exhibit high specific power, response time, and rate capabilities was produced by both methods. Specific energies of 7 Wh kg^1gydF4y2Ba和9 Wh公斤gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba,非常高功率(5 W×105公斤gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和7×105 W公斤gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba(900克)和速度能力gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和500 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba分别)证明pre-FCG和post-FCG。pre-FCG的特定力量和速度能力和post-FCG被发现是十倍的碳基商业超级电容器。作者相信闪光减少石墨烯具有低密度,高表面积多孔网络。冻干溶液氧化石墨烯分散被认为能够保持石墨烯氧化物分子构型。氧基团在氧化石墨烯等转化为气体有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,和HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO后相机光闪烁。这导致略形态扩张和55%质量下降。由于薄(电影闪烁治疗前,post-FCG减少比pre-FCG更完全。简单的和gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本相机光闪烁的方法具有潜在的商业生产的石墨烯超级电容器用于硬币细胞广泛应用(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。激光降低石墨烯的电化学性能由王et al。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba使用连续波)gydF4y2Ba半导体gydF4y2Ba在波长808纳米的激光照射氧化石墨烯在127 W厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。激光降低石墨烯与乙炔黑混合,和聚(四氟乙烯)粘结剂形成电极活性材料和评估在一个对称的二电极超级电容器单元在6米KOH电解质水溶液。的具体参数laser-reduced石墨烯被发现是236.5 g FgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba226 F, ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba220 F, ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba208 F, ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba,201 g FgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在电流密度0.25 Ag)gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba0.5 Ag)gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba,1、2 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba,3 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和激光降低石墨烯超级电容器单元分别发表了gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba密度8.21 Wh公斤gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba功率密度为62.5公斤gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。相比之下,商业活性炭仅发表了gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba密度5.26 Wh公斤gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在同一功率密度使用相同的细胞。王等人的结果表明激光诱导石墨烯优良的电化学性能,这归功于其独特的弯曲和皱巴巴的石墨烯能有效防止石墨烯的聚合和放置床单和允许更多的表面吸收电解质离子。他们还认为激光降低石墨烯具有介孔结构和孔隙大小分布均匀,有利于快速电解质离子吸附/解吸和运输。他们还认为,剩余的含氧官能团的存在不仅可以提高激光的润湿性降低石墨烯,但也可以参与法拉第的氧化还原反应在碱性水溶液提供额外pseudo-capacitance;因此提高电荷存储能力。激光降低石墨烯的导电性的改善后部分恢复π-conjugated石墨烯网络也有利于电荷运输建议。石墨烯由photo-reduction使用KrF准分子激光也评估作为超级电容器的电极活性物质(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。laser-reduced石墨烯的比电容是评估在0.5 NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba水或1 m Tetraethylammoniumtetrafluoroborate乙腈(ACN)基础电解液使用两个电极细胞。gydF4y2Ba8图。gydF4y2Ba显示了石墨烯的CVs由激光辐照300 mJ和2 h电位扫描速率从10到500 mV / s的水0.5 NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba电解液。特定的电容是增加与减少石墨烯薄膜的扫描利率表明离子运输有阻力的石墨烯薄膜在充放电过程。gydF4y2Ba图8 b。gydF4y2Ba,给出了恒电流充电/放电循环获得的石墨烯薄膜在不同恒定电流/重量密度:5.20 / 1.04 g, A / g / g和11.4。从这些充电/放电比电容,计算曲线,为石墨烯的激光照射在300 mJ 1.04和2 h 141 F / g / g, 121 F / g / g和120 F / 5.20 g为11.4 A / g,分别。细胞从线性电阻计算电压降卸货后立即观察,见的插入gydF4y2Ba图8 b。gydF4y2Ba0.64Ω/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba图8 c。gydF4y2Ba,显示了CVs在扫描率介于50和500 mV / sgydF4y2Ba图8 d。gydF4y2Ba,恒电流充电/放电周期恒定电流为1.46 A / g / 14.6 g和7.28 g的石墨烯在同等条件下在1米TEABF4 / ACN电解质。计算比电容,充电/放电曲线的石墨烯在84 F / g / 1.46 g, 80 F / g / g和77 F / 7.28 g为14.6 A / g。细胞从线性电阻计算电压降后立即卸货是1.2Ω/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。的比电容gydF4y2Ba低gydF4y2Ba放电电流密度仅略高于在高电流密度。gydF4y2Ba

Photo-irradiation NH还原的氧化石墨烯gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba可以产生n型石墨烯与更好的导电性。评估的性能是非常有趣的n型石墨烯作为超级电容器的电极活性物质。黄等。gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba)评估n型石墨烯包覆镍泡沫在超级电容器单元。n型石墨烯的电化学性能被发现非常好的的高功率密度、高功能性能和良好的循环稳定性。最大的比电容确定为252.3 g FgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba电流密度的0.29 ggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在KOH电解质。优秀的表现是由于连续泡沫镍的和相互关联的三维网络,nitrogen-doped石墨烯电子导电率高,和良好的接触n型石墨烯和镍泡沫即使没有任何粘合剂。LD乐动体育官网作者还发现,长时间足够的辐射(≥30分钟)所必需的良好的电化学性能,但太长时间照射的时间不会进一步提高石墨烯的具体参数。优化的辐照时间是45分钟左右。长时间照射引起的膨胀引起的n型石墨烯薄膜分层的石墨烯金属衬底,导致较差的n型石墨烯和金属之间的电接触电流收集器。LD乐动体育官网gydF4y2Ba

photo-catalysts如TiO的应用gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba协助photo-reduction氧化石墨烯是一种非常有趣的方法,可以快速去除氧官能团产生高度de-oxygenation石墨烯。石墨烯/ TiO紫外线Photo-irradiation减少gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba复合材料合成了杨et al。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba超级电容器)也评价其性能。在复合,TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba作为光催化剂,帮助减少氧化石墨烯和石墨烯还有助于减少放置。pseudo-capacitive /法拉第TiO的行为gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba可以导致复合材料的比电容,因为贡献的可逆转换之间的质子和阳离子TiO吗gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和电解液gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba]。和石墨烯/ TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba与体重比值TiO的氧化石墨烯gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba2.5 1:显示一个特定的电容的226.45 g FgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba扫描速度10 mV的年代gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在1 M HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba电解液的解决方案。在高TiO之间的比率gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba氧化石墨烯,氧化石墨烯de-oxygenation度的增加(如所示gydF4y2Ba图。2gydF4y2Ba)。此外,re-stacking石墨烯可以大大避免由于TiO的夹层gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba为在高TiO石墨烯之间的空间gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba装载。gydF4y2Ba

薄膜石墨烯超级电容器gydF4y2Ba

石墨烯薄膜由photo-irradiation还原氧化石墨烯的电影通常很薄(几十至几百纳米)由于小光的穿透深度,因此只适用于薄膜超级电容器或micro-supercapacitors。超级电容器用薄膜photo-reduced石墨烯提供各种各样的应用,包括移动电子设备,传感器、执行器和打印设备。虽然薄膜超级电容器可以使用一些传统的印刷和制造的光刻技术,直接photo-patterning /减少是一个新兴技术的成本和可伸缩性和这项技术的全部潜力需要实现。优化photo-irradiation还原法制造高质量石墨烯的电影更多孔结构、高导电性和较大的表面积实现更高的性能是一个关键的能源、电力和耐用性薄膜的超级电容器。photo-reduction方法已经被证明是更好的防止石墨烯放置nano-sheets由于小尺寸和弯曲的石墨烯薄片,因此允许更多的表面积薄膜超级电容器的电荷存储。开创性的研究El-Kady et al。gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]报道了基于石墨烯的超级电容器的性能组合采用激光划片技术使用标准光速写DVD光驱激发了极大的兴趣。在本节内,最近发展photo-irradiation降低石墨烯薄膜超级电容器或micro-supercapacitor将简要回顾。gydF4y2Ba

当大量的水被禁锢在分层的氧化石墨烯结构,氧化石墨烯可以成为各向异性离子导体,因为激光直接照射可以降低石墨烯氧化物和生产高表面积和导电石墨烯,激光可以用来创建graphene-graphene oxide-graphene模式在各种配置micro-meter决议建立薄膜超级电容器,石墨烯作为活性电极材料和石墨烯氧化物分离器和电解质。高et al。gydF4y2Ba44gydF4y2Ba)展示了这样的超级电容器的制造激光还原和氧化石墨的电影模式。他们的飞机和传统的石墨烯电极,石墨烯氧化物作为固体电解质之间。结果micro-supercapacitor设备显示出良好的循环稳定性和gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储容量与现有薄膜超级电容器。然而,他们发现,在飞机结构的ESR值远高于传统的三明治结构。虽然直接激光模式/减少氧化石墨烯在平面配置可以创建高表面积多孔石墨烯快离子扩散、高孔隙度也可以提高石墨烯的电阻由于石墨烯之间的电接触不良。LD乐动体育官网相对的挑战gydF4y2Ba低gydF4y2Ba电导率、有限的能力和速度gydF4y2Ba低gydF4y2Ba时间常数降低激光模式/石墨烯电极仍然需要得到解决。R.-Z。李等人。gydF4y2Ba45gydF4y2Ba)报告了一个有趣的方法,结合激光模式的石墨烯氧化物电极的制造非盟目前收藏家在一个单一的步骤。他们同时使用一个方法来减少水合氯金酸和氧化石墨烯(HAuClgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba)通过飞秒激光(操作在1030纳米中心波长和400 fs脉冲持续时间的重复率120 kHz) Au-graphene形成纳米复合材料。制作的过程灵活micro-supercapacitors使用Au-graphene纳米复合材料中显示gydF4y2Ba图9。gydF4y2Ba。氧化石墨烯/ HAuCl4混合物第一次涂在一张纸上,然后直接激光模式的石墨烯/金电极之后,下一步是除去未反应的HAuCl4最后应用HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba/ PVA水凝胶固态电解质。这种灵活micro-supercapacitors表明极大地增强了平面导率两orders-of-magnitudes高于纯石墨烯电极。的Au-graphene micro-supercapacitors被发现证明高速度能力和高频率响应,和大0.77厘米曼氏金融的具体参数gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(17.2 F厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在1 V s容量电容)gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和0.46 mF厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(10.2 F厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在100 V)gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

薄膜的性能超级电容器使用激光模式/减少石墨烯最近有所改善;然而,gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba密度仍然很gydF4y2Ba低gydF4y2Ba相比,薄膜电池如果使用碳基材料,如石墨烯。过渡金属氧化物和导电的合并gydF4y2Ba聚合物gydF4y2Ba到photo-irradiation降低石墨烯是一种有效的策略来增加薄膜超级电容器的电容,也防止石墨烯聚合和放置。二氧化锰(MnOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)是一个合适的金属氧化物由于其gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本和环境友好。陈等人。gydF4y2Ba46gydF4y2Ba)生产的高性能超级电容器电极电影使用激光柔性基板上装饰着MnO刻石墨烯gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。的MnOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba团簇表面的直接合成石墨烯氧化物。氧化石墨烯/ MnO,灵活gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba复合膜是降低标准激光划片刻录机。协同效应的激光刻石墨烯良好的导电性和pseudocapacitance均匀分散MnOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba粒子的结果在实现体积容量为202.98厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba(882.52 F克gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)电流密度为0.3厘米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在1.0 NagydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba电解液。设备也表现出良好的充电/放电率和良好的循环稳定性,保留91.2%的5500年之后首次充电周期。这些性能改进是由于形成的导电网络和独特结构激光刻石墨烯和MnOgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba纳米粒子的gydF4y2Ba扩散gydF4y2Ba电解质的内部表面的距离被缩短,允许更好的电解液渗透进入石墨烯活性物质。gydF4y2Ba

虽然激光烧蚀/还原模式是最常见的方法减少氧化石墨烯制备石墨烯薄膜超级电容器或micro-supercapacitors,强激光束强度往往导致结构破坏石墨烯氧化膜。此外,激光设备是昂贵的,不容易操作。雪et al。gydF4y2Ba47gydF4y2Ba)开发了一个简单的和简单的方法,使用紫外线来代替激光氧化石墨烯膜没有导致严重的结构性破坏。在他们的实验中,石墨烯氧化膜支持宠物被暴露在紫外线照射通过光掩模的指状组合型电极模式后24 h。去除光掩模,H3PO4 / PVA凝胶电解质当时spin-coated平面图案的石墨烯oxide-graphene电影和石墨烯的两个edge-sides oxide-graphene图案电影sputter-coated与非盟目前的收藏家。虽然建立这样一个平面薄膜电容器的概念已经证明,这种超级电容器单元的高阻了理想的简历曲线表明进一步改善设备的结构和材料的质量是必要的。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

用于减少氧化石墨的方法明显影响形态、表面积、孔隙大小和电子导电性的石墨烯nano-sheets,这是其在超级电容器的电化学性能的关键。尽管为基础的解决方案化学还原方法是最常见的过程产生大量的氧化石墨烯与石墨,石墨烯仍然使用化学还原方法合成提供gydF4y2Ba低gydF4y2Ba电荷存储性能由于不可逆聚集和放置的石墨烯薄片,这对超级电容器限制了其实际应用。替代化学还原法和其他方法,如热减少,photo-irradiation还原法有许多优点。这是一个简化的、快速、gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba高效和有毒物质自由替代化学和高温热方法。photo-reducing石墨氧化物中解决方案的能力使它特别吸引人生产石墨烯复合材料通过预先混合与其他材料,如金属、金属氧化物和导电聚合物。这个过程不仅可以用于生产大量的高质量的石墨烯为大型超级电容器可用在汽车和固定gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储,还可以用来准备少量的石墨烯用于打印、便携、灵活的超级电容器gydF4y2Ba

光源,可用于photo-irradiation减少石墨氧化物包括太阳能灯;灯所产生的紫外线,可见光和红外线灯,和激光操作在不同的波长。太阳能灯是一个环保光源和太阳辐射还原过程的进一步发展gydF4y2Ba低gydF4y2Ba成本、快速和可伸缩的生产大量的石墨烯超级电容器用于汽车和交通行业。太阳能还原法的挑战在于缺乏质量控制石墨烯,作为有限的可以优化工艺参数。光来自一个简单的相机闪光灯或汞灯可以用来生产少量的高质量石墨烯适合micro-supercapacitor和薄膜超级电容器的应用程序。与其他光源相比,激光的空间相干性,具有独特的优势高辐照度和可用波长紫外、可见光和红外范围。虽然激光辐照还原通常用于模式/减少石墨氧化膜形成薄膜超级电容器。gydF4y2Ba

成功使用激光来减少氧化石墨在水溶液中打开一个新地点生产的高质量和相对大量的石墨烯对大型超级电容器的应用程序。photo-irradiation还原过程通常包括各种机制如光热的减少、光化学还原,辅助光化学还原催化剂。光源与gydF4y2Ba低gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba光子,如红外和可见光、光热的减少将是占主导地位的过程,而高gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba光子如紫外线可以诱导光化学还原,除了光热的还原过程。短脉冲和强有力的峰值功率gydF4y2Ba激光gydF4y2Ba如飞秒微微秒激光使氧化石墨的非线性多光子相互作用,诱发光热的和光化学还原过程,因此可能会导致一个更完整的de-oxygenation石墨烯和产生更多的多孔和弯曲的结构。在photo-irradiation过程中,photo-catalysts可以用来吸收光子并生成电子减少氧化石墨。photo-catalysts的协助下,氧化石墨与高度的脱氧作用可以减少。用氮气化学掺杂是一种有效的方法本质上修改电子和石墨烯的化学性质。合成的n型石墨烯可以通过简单的完成photo-irradiation NH下还原的氧化石墨烯gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba的气氛。gydF4y2Ba

TEM、SEM、XRD、红外光谱、拉曼和XPS是最常见的技术用于描述photo-reduced石墨烯的结构和性质。高分辨率透射电镜和扫描电镜可以用来评估剥离的程度,规模和结构的石墨烯薄片。x射线衍射峰的强度下降10 o可以提供氧化石墨的比例减少。紫外线和高强度激光被发现更有能力完全删除这个XRD峰。红外光谱可以进一步提供官能团的信息已经被删除或减少photo-irradiation后还原过程。峰强度变化切断和C = O组是好的迹象的光刻后脱氧反应的完成程度。类似的信息前后官能团光刻可以获得高分辨率的XPS分析c1, o1群和n1 (n型石墨烯)通过曲线拟合峰。photo-irradiation的打赌表面积降低石墨烯被发现显著变化取决于所使用的光源。gydF4y2Ba

photo-reduced石墨烯的独特性质和高性能超级电容器应用程序已经彻底了。photo-irradiation减少可以创建一个无序波纹石墨烯结构中相邻表不再是面向彼此平行。其他独特的特性包括高度的表皮脱落、小床单和弯曲的结构。直接photo-patterning /氧化减少graphene-graphite结构与自定义几何图形在平面或三维结构来创建薄膜超级电容器是一个新兴技术的成本和可伸缩性。这些photo-reduction方法已经被证明是更好的防止石墨烯放置nano-sheets由于其较小的尺寸和弯曲的石墨烯薄片,因此允许更多的表面积薄膜超级电容器的电荷存储。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

总之,photo-irradiation还原氧化石墨烯是一种简化、快速、gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba高效和有毒物质自由选择最常用的化学还原方法。这个过程不仅可以用于生产大量的高质量的石墨烯为大型超级电容器可用在汽车和固定gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba存储,还可以用来准备少量的石墨烯用于打印、便携、灵活的超级电容器。石墨烯的独特性质和高性能photo-irradiation还原过程产生的超级电容器的应用潜力巨大。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者也感谢NRC同事:Alexis Laforgue博士,博士Lei张Jiujun Zhang博士,博士Mihnea约内斯库在超级电容器和布莱恩·吉布森先生的合作研究项目。gydF4y2Ba

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