4月30日下午2:00-3:00，南京大学现代工程与应用科学学院能源科学与工程系王学斌教授依托“腾讯会议”在线作了题为《三维石墨烯多孔块体及其电化学电极》的学术报告，讨论了三维石墨烯多孔块体的新材料，及其先进电化学电极相关应用。王学斌教授从二维材料及其三维化的概念出发，围绕三维石墨烯，结合课题组最新系列研究成果，介绍了制备三维石墨烯的热裂解相关方法、应用现状和发展前景。
从材料形态的角度而言，石墨烯应当分为粉体、薄膜、块体三种主要形态。现阶段的二维材料多以粉末或薄膜的形态存在，而发展二维材料的三维块体结构对于很多应用是十分必要的。石墨烯多孔块体材料，对于电极、吸附剂等应用场合意义重大。三维石墨烯是将石墨烯单元以sp2杂化连接为三维网络结构，它具有固相和空腔的双联通通道：①三维化结构设计防止片层堆叠，实现高比表面积；②固相网络通道用于传递电、热、机械力；③连续空腔网络通道用于外来物质的传质。从纳米碳材料的角度来看，三维石墨烯是一种继零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯薄膜之外的新型三维碳纳米材料。从孔材料的角度来看，三维石墨烯的孔壁是单原子层厚度，可以视为一种终极版本的多孔碳。
基于固相/流体相碳源的热裂解方法，有望实现高性能碳材料，这包括三维石墨烯多孔块体新材料。它可实现大规模生产、原料丰富、成本低（相比气相碳源），工艺简单可靠、产品品质较高（相比溶液基组装方法）。南京大学王学斌课题组主要从事石墨烯和氮化硼等二维功能材料的制备和物性、能量存储与转换器件和复合材料及催化研究。王学斌课题组近来重点发展了一系列固相/流体相碳源热裂解的制备方法，包括发泡法（Nat. Commun. , 4, 2905; Nano Energy , 58, 870; Bull. Chem. Soc. Jpn. , 92, 245; J. Nanosci. Nanotechnol. , 20, 5175; J. Mater. Chem. A , 6, 24767; ACS Appl. Mater. Interfaces , 10, 37046）、锌分层法（Adv. Mater. , 31, 1901186）、纤维素氧氨联合热解法（ACS Nano , 13, 11901）等多种热裂解路线，获得了高品质高产量的三维石墨烯多孔块体，并研究了其先进电化学电极。化学发泡法受古老的“吹糖”艺术启发。通过将葡萄糖等廉价碳源与发泡剂混合，加热过程中糖聚合生成类黑精，同时发泡剂分解使类黑精发泡，经流变过程和高温分解后泡壁不断减薄，同时脱去杂元素，得到三维筋撑石墨烯。发泡过程有很多理论性问题值得深究，比如泡沫结构的拓扑有序性、静力学、成核、长大动力学，排液、熟化、破裂、流变等动态学演变过程。对此，王学斌教授均作了深入浅出的阐释。
王学斌课题组还仔细研究了金属锌对焦炭的分层效应，基于此创新性地发展了锌分层法。以葡萄糖作为碳源，以锌粉作为分层剂；葡萄糖受热裂解生成焦的同时，金属锌蒸发渗入焦中。进一步，在表面张力的驱动下，锌和焦的混合物发生分层，形成三明治结构。形象地说，锌将焦切割成数个薄层。在后续加热过程中，焦薄层转化为石墨烯，而锌挥发完毕。液态锌彻底将焦炭转化为石墨烯，因此在产品中没有实心碳或大块碳等副产物，消除了此前固态碳源热解过程中通常存在的实心碳副产物的问题。对纤维素进行氧氨联合热解的方法，是基于成本最低的碳源——纤维素。纤维素经预氧化后易发生酰胺化与氨解，且酰胺化的过程会破坏其结晶区的氢键网络，使纤维素链相互分离散开，从而使后续的焦化反应倾向于在相互分开的空间中发生。这样可以避免致密焦化，避免实心碳等副产物，最终得到了高品质的超薄石墨烯状三维网络结构，可视为一种三维石墨烯。王学斌课题组继续将这些三维石墨烯新材料，用作先进的电化学电极，实现了优异性能。使用三维石墨烯作为双电层型超级电容器的电极，实现了卓越的能量密度、功率密度、寿命。其中，基于锌分层法制备的三维石墨烯ZnG，其超级电容器具有优秀的比电容（达336 F/g）、最大功率密度（625 kW/kg）、能量密度（11.7 Wh/kg）、循环稳定性（超过1百万圈）、全寿命周期储能密度（15 MWh/kg），远优于传统储能器件。利用筋撑石墨烯SG负载NiFeP纳米片，作为三维自支撑电极，可以高效电催化析氧、析氢、全分解水（全解水的开启电压仅1.54 V）。利用三维碳网络carbon paper负载Fe3O4，再包覆还原氧化石墨烯RGO，该自支撑三维网络复合电极CP@Fe3O4@RGO作为锂离子电池负极，具有超长循环寿命（超过2000循环）、高比容量（1160 mAh/g）。三维石墨烯制备和性质及应用研究是一个研究热点，三维石墨烯不仅用作电化学电极，其应用场景十分广泛，前景广阔。
美编：冯元
南京大学现代工程与应用科学学院
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