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溶致液晶辅助自组装高度有序V2O5/rGO复合材料

有序2D纳米结构材料是一类具有广泛应用前景的新材料,目前常用真空抽滤沉积、磁场诱导对齐、冷冻铸造等策略,来实现对2D材料在本体或薄膜中的有序调控。溶致液晶因其通过温和的溶液过程来获得有序的纳米片胶体,成为最具吸引人的策略之一。当2D各向异性的纳米片以适当浓度分散在液体介质中时,由热力学控制的液晶相转变就会发生液晶一般处于向列相或各向同性相-向列相,没有位置顺序但具有一定程度的取向这种相形成的驱动力包括2D材料的高纵横比,以及相互吸引作用(范德华力,相反电荷间的库仑力)和相互排斥作用(空间位阻,相同电荷间的库仑力)。正是由于其有序性,溶致液晶可用于构建具有高度有序结构的分层复合物

鉴于此,上海交通大学冯新亮教授课题组在利用溶致液晶合成高度有序结构的分层复合物方面取得显著进展。利用五氧化二钒(V2O5纳米带和氧化石墨烯(GO)片在水分散液形成溶致液晶,成功合成出良好有序的层结构(VrGO)。V2O5纳米带和GO的混合悬浮液能以任何比例形成层状液晶相,就可以得到不同比例的V2O5纳米带与GO复合物。得益于其高的导电性、优异的机械稳定性和良好的柔韧性,VrGO复合薄膜在柔性能量存储设备中有广泛应用前景。该研究成果发表在国际著名材料类期刊Adv. Funct. Mater. (IF:11.38)。

溶致液晶辅助自组装高度有序V2O5/rGO复合材料

图1. V2O5纳米带和GO片形成溶致液晶过程和VrGO复合膜形成示意图

 

溶致液晶辅助自组装高度有序V2O5/rGO复合材料

图2.不同浓度V2O5分散胶体的偏振光学显微镜图像a) 2, b) 4, c) 8, d) 12mg/mL,e-h) 不同浓度下V2O5纳米带定向分布模型,不同浓度V2O5分散胶体冷冻干燥后截面SEM图像i) 2, j) 4, k) 8, l) 12mg/mL

作者利用偏振光学显微镜研究了V2O5纳米带在水中悬浮液的相转变行为结果发现低浓度时存在各向同性相转变为向列相过程,当浓度为12mg/mL时,其完全转化为向列相。随后作者通过冷冻干燥后的SEM图像对其进行验证,并用小角度X射线衍射分析了相转变行为。并采用同样的方法研究了V2O5纳米带和GO片复合物水中悬浮液的相转变行为,结果表明复合物在水悬浮液中成功形成了层状相,并通过SEM图像进行了验证

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图3.a) 不同浓度下分散胶体的小角度X射线粉末衍射;不同浓度混合分散胶体的偏振光学显微镜图像b) V2O5 1mg/mL, GO 1mg/mL, c) V2O5 2mg/mL, GO 2mg/mL,d) V2O5 4mg/mL, GO 4mg/mL,e) V2O5 6mg/mL, GO 6mg/mL

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图4.截面SEM图像及相应的C, O, V元素面谱a) rGO, b) VrGO-1(V2O5含量25wt%), c) VrGO-2(V2O5含量50wt%), d) VrGO-3(V2O5含量67wt%), e) VrGO-4(V2O5含量75wt%), f) V2O5g) V2O5薄膜XRD,插图为VrGO-1, VrGO-2, VrGO-3, VrGO-4和V2O5薄膜100面d值对比

其电化学性能研究:作为超级电容器电极,VrGO-3(V2O5含量67wt%)表现出优异的电容性能,在1A/g电流密度下比电容为205F/g,即使在50A/g电流密度下比电容为112F/g,且可以获得130Wh/Kg高的能量密度和25kW/Kg高的功率密度。在10A/g电流密度下经过3000次充放循环,VrGO薄膜的电容保持率为94%。VrGO电极还表现出优异的柔韧性,即使经过不同的弯曲也没有发生容量衰减

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图5.a) 扫速为500mV/s时VrGO-1(a), VrGO-2(b), VrGO-3(c), VrGO-4(d)的CV曲线,b) VrGO-3在扫速为50, 100, 200, 300和500mV/s时CV曲线,c) 不同样品的充放电曲线,d) 不同电流密度时的比电容

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图6.a) 不同样品在10A/g电流密度下的循环性能,b) 不同弯曲状态下点亮LED灯,c) 10A/g电流密度下,不同弯曲状态的充放电曲线,d) 能量密度和功率密度对比图

当其作为锂电正极材料,VrGO-3在0.1A/g电流密度下,比容量为215mAh/g,经过120次循环后,容量保持率为95%。当其与rGO组装成全电池后,不论在正常还是弯曲状态都可点亮LED灯,表现出VrGO薄膜优异的机械柔韧性。

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图7.a) V2O5, VrGO-1, VrGO-3作为柔性锂电正极时的倍率性能,b) 柔性锂离子电池结构示意图,柔性锂离子全电池在不同状态下点亮LED灯c) 正常状态,d 弯曲状态

材料制备过程:

V2O5纳米带:NH4VO3在500℃空气只煅烧2h,得到粉末状V2O5。随后0.9g粉末状V2O5,12mL H2O2,63mL H2O混合搅拌2h,然后转移到100mL水热釜,180℃水热反应10h,得到V2O5纳米带,随后制备成悬浮液(12mg/mL)。

VrGO薄膜:改进Hummers法制备氧化石墨烯(GO),随后制备成悬浮液(12mg/mL)。不同浓度的V2O5悬浮液和GO悬浮液混合,在25℃下搅拌24h,形成均一溶液,混合悬浮液通过醋酸纤维素隔膜真空抽滤获得复合薄膜,随后在N2下200℃煅烧2h,获得VrGO。根据V2O5含量不同记为VrGO-1(V2O5含量25wt%),VrGO-2(50wt%),VrGO-3(67wt%),VrGO-4(75wt%)。

Haiqing Liu, Yanping Tang, Chi Wang, Zhixiao Xu, Chongqing Yang, Tao Huang, Fan Zhang, Dongqing Wu, Xinliang Feng, A Lyotropic Liquid-Crystal-Based Assembly Avenue toward Highly Oriented Vanadium Pentoxide/Graphene Films for Flexible Energy Storage, Adv. Funct. Mater., 2017, 1606269, DOI:10.1002/adfm.201606269

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参考文献:Adv. Funct. Mater.

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