近日，合肥工業(yè)大學化學與化工學院從懷萍教授科研團隊與中國科學技術(shù)大學俞書宏教授團隊、南京大學等單位合作，成功制備出一種高強度、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《非共價鍵誘導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)超級電容器》為題于4月12日發(fā)表于國際著名學術(shù)刊物《Cell》的綜合類化學期刊《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)柔性超級電容器可為可穿戴電子設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、電學、熱學、力學等性能，是此類新型儲能器件的理想材料。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)柔性超級電容器仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對這一難題，科研團隊通過設計優(yōu)化組裝體微納結(jié)構(gòu)和增強界面作用力相結(jié)合策略，采用宏觀尺度納米組裝技術(shù)，實現(xiàn)了這一新型等級結(jié)構(gòu)的先進材料的制備。

該課題組通過單分子原子力顯微鏡測量手段，在11種不同有機分子中發(fā)現(xiàn)了與氧化石墨烯之間的作用力最強的分子——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作用力達到約1納牛，達到了共價鍵的力程。通過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，從而制備出具有優(yōu)異的機械強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分子與氧化石墨烯之間作用力。

料即可實現(xiàn)自支撐，并可通過增減單層膜層數(shù)實現(xiàn)厚度和性能的可控調(diào)節(jié)。同時，該薄膜橫向尺寸達厘米級，具備可裁剪性和優(yōu)異的拉伸性，且對強酸強堿高度兼容。

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

實驗結(jié)果表明，該新型薄膜在可見光550納米處透光率高達84.6%，經(jīng)過原位還原后仍然保持優(yōu)異的機械性能及光學性能。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)柔性超級電容器具有較高的體積電容值、良好的電機械穩(wěn)定性，展現(xiàn)了優(yōu)異的超級電容器性能。在循環(huán)充放電7500圈后，該薄膜電容值保留高達91.4%。

該工作得到了國家自然科學基金、國際合作重點項目、國家重點基礎研究發(fā)展計劃、新世紀優(yōu)秀人才支持計劃、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金、安徽省自然科學基金、合肥大科學中心卓越用戶基金等項目的資助。