中科院金属所：0.7纳米层状通道电极材料实现储能新突破
中科院金属所：0.7纳米层状通道电极材料实现储能新突破
在电化学储能领域，如何提高能量密度和功率密度一直是科学家们追求的目标。最近，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心黄楠项目研究员团队与比利时Hasselt大学杨年俊教授合作，在这一领域取得了重要突破。他们设计并制备了一种具有规则有序0.7 nm层状亚纳米通道的膨胀垂直石墨烯/金刚石复合薄膜电极，这种新型电极不仅展现出优异的电化学性能，更为理解纳米多孔或层状材料在电化学储能中的作用机制提供了新的视角。
从经典到限域：双电层储能的新突破
多孔或层状电极材料由于其丰富的纳米限域环境，被广泛应用于电化学电容器中。然而，这些限域环境中形成的双电层（限域双电层）结构与传统平面电极上的经典双电层存在差异，导致其储能机理尚不清晰。为了解决这一问题，研究团队设计了一种具有规则有序0.7 nm层状亚纳米通道的膨胀垂直石墨烯/金刚石复合薄膜电极。
图1. 层状限域双电层膨胀垂直石墨烯/金刚石薄膜电极的制备和表征：（A）制备流程示意图；（B）石墨插层化合物的拉曼光谱；（C-D）XRD图谱；（E）SEM和TEM图像。
创新设计：金刚石支撑的石墨烯通道
这种新型电极的关键在于其独特的结构设计。研究团队将金刚石与垂直膨胀石墨烯纳米片通过共价连接，形成了一种机械增强结构。这种设计不仅为构筑层状限域结构提供了有力支撑，还使得电极展现出离子筛分效应和离子部分脱溶等典型的限域电化学电容行为。
图2. 层状限域双电层膨胀垂直石墨烯/金刚石薄膜电极的电化学行为：（A）CV曲线；（B）微分电容-电极电势关系；（C）离子筛分效应；（D）EIS图谱；（E-F）动力学分析。
实验验证：多维度解析储能机制
为了深入理解这种新型电极的储能机制，研究团队采用了多种先进的表征技术。他们利用原位电化学拉曼光谱监测充放电过程中电极材料一侧的响应行为，发现电极材料一侧出现拉曼光谱峰劈裂现象。同时，通过电化学石英晶体微天平技术监测电解液一侧的离子通量，发现在阴极扫描过程中，溶液一侧为部分脱溶剂化阳离子主导的吸附过程。
图3. 层状限域双电层膨胀垂直石墨烯/金刚石薄膜电极的原位电化学拉曼光谱：（A-D）原位电化学拉曼光谱；（E-F）拉曼特征演变幅度分析。
理论计算：揭示储能本质
为了从原子尺度上评估限域双电层中离子-碳宿主相互作用，研究团队采用了三维参考相互作用位点隐式溶剂模型的第一性原理计算方法。计算结果表明，在限域环境中增强的离子-碳宿主相互作用会诱导电极材料表面产生高密度的局域化图像电荷。这一发现不仅完善了限域双电层电容的电荷储存机理，也为进一步理解纳米多孔或层状材料在电化学储能中的功能奠定了基础。
图4. 层状限域双电层电容的储能机理分析：（A）拉曼光谱中的G峰劈裂；（B）电化学石英晶体微天平分析；（C）电极质量变化和拉曼特征变化的关联性；（D）DFT-RISM计算获得的图像电荷分布。
这项研究成果已于8月9日在线发表于《先进能源材料》(Advanced Energy Materials) 期刊。金属所博士研究生陈滨为第一作者，特别研究助理翟朝峰博士为第二作者，黄楠项目研究员和比利时Hasselt大学杨年俊教授等为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和德国研究联合会基金的资助。
这一突破性进展不仅为电化学储能领域提供了新的研究方向，也为开发高性能电化学储能器件开辟了新的途径。未来，这种新型电极材料有望在超级电容器、电池等储能设备中得到广泛应用，为实现更高效、更持久的能量存储提供技术支持。