二氧化锰/石墨烯量子点的超薄“三明治”结构构筑与超电容性能研究

Ultrathin manganese dioxide (MnO2) has attracted much attention due to its unique functions and extensive applications in electrocatalysis, photoelectricity, energy storage and so on. However, fast charge/electron transfer in the plane of ultrathin MnO2 nanosheet and its effectively high-loading amount in graphene-based composites are still a big challenge. This project proposed a strategy for fabrication of ultrathin MnO2 sandwich-like composite with graphene quantum dot (GQD) filling. Aiming to fabrication of ultrathin MnO2/GQD sandwich-like composite, the effect laws and control mechanisms of the size and surface groups of GQD on the structure of products would be systematically investigated. The in-situ deposition rules of MnO2 on the double-face of GQD would be also demonstrated in this proposal. Furthermore, the relationship between sandwich-like nanostructure of as-prepared products and supercapacitance performance would be detailedly analyzed. The strategy of preparation of ultrathin MnO2/GQD sandwich-like composite will illuminate other ultrathin metal oxide composites and bring significance for improvement of in-plane electroconductivity and power density of other transition ultrathin metal oxides.

超薄二氧化锰纳米材料在电催化、储能、光电等方面作为电极材料显示出了巨大潜力。然而超薄二氧化锰存在平面内电荷/电子扩散传递能力差的瓶颈。二氧化锰与石墨烯复合虽能提高导电性，但复合物功率密度相对不高且石墨烯超高比表面积利用率较低等问题突出。本项目提出在石墨烯量子点（GQD）导电“夹心”两侧均匀生长超薄二氧化锰晶层构筑“三明治”结构复合物的思路，旨在高效利用超薄二氧化锰的高功率密度和石墨烯结构的导电性、超高比表面积。具体以高锰酸钾在石墨烯量子点两侧表面原位均匀还原沉积构筑的MnO2/GQD超薄“三明治”结构复合物为研究对象，开展石墨烯量子点尺寸、表面基团功能化对产物结构影响规律与控制机理研究；探索二氧化锰在量子点表面原位沉积与生长控制规律；揭示产物超薄“三明治”结构与超电容性能的相关性规律；其研究结果对实现其他超薄过渡金属氧化物平面内良好导电及提高石墨烯超高比表面积利用效率具有指导意义。

价态丰富的锰氧化物和其他过渡金属氧化物与导电优势显著的石墨烯类材料碰撞交叉必然带来更为诱人的优异特性和广阔的应用前景。本项目正是基于石墨烯量子点（GQD）表面功能化及原位生长超薄锰氧化物设计合成了一系列锰氧化物/石墨烯量子点复合材料，从而将锰氧化物和石墨烯类材料的特性激发融合，解决超薄过渡金属氧化物在平面内电荷/电子扩散传递能力差的难题。结果表明，以炭黑和石墨烯为原料经“自上而下”方法切割剥离合成了尺寸均匀的石墨烯量子点，调控其表面官能团与高锰酸钾的还原反应活性适配，成功构筑了MnO2/GQD超薄三明治结构复合物和MnOx@碳量子点复合物，并将它们用作电极材料获得了优异的电化学性能。在此基础上，鉴于市场上柔性电极的迫切需求，设计合成了MnO2@石墨烯量子点@碳纤维柔性电极。该材料在不牺牲其本身电容量的前提下，具有柔性、灵活等特性，为未来柔性电极材料的设计合成提供了新的思路。本项目提出的石墨烯类材料表面原位沉积锰氧化物策略为其他过渡金属氧化物与石墨烯类材料复合及多级结构材料制备提供了一定的借鉴和依据。