炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

朱家瑶 董玥 张苏 范壮军

引用本文: 朱家瑶, 董玥, 张苏, 范壮军. 炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(2): 190305. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903052 shu
Citation:  Zhu Jiayao, Dong Yue, Zhang Su, Fan Zhuangjun. Application of Carbon-/Graphene Quantum Dots for Supercapacitors[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(2): 190305. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903052 shu

炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

    作者简介:

    张苏,男,1989年生。分别于2011年、2016年在北京化工大学获得学士和博士学位,师从宋怀河教授。现为新疆大学应用化学研究所副教授,主要从事炭材料及其在超级电容器、锂离子电池方面的应用研究;
    范壮军,男,中国石油大学(华东)教授,2003年博士毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所,曾获国家“万人计划”科技创新领军人才,省部级科技一等奖两项。目前主要从事纳米炭材料在储能、催化、环保领域的应用基础研究;
    通讯作者: 张苏, suzhangs@163.com; 范壮军, fanzhj666@163.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51702275, 51672055), 新疆高校科研计划(XJEDU2017S003)资助项目

摘要: 炭-/石墨烯量子点作为新兴的炭纳米材料,因具有独特的小尺寸效应和丰富的边缘活性位点而在高性能超级电容器电极材料的研发方面展现出巨大潜力。针对目前炭-/石墨烯量子点在超级电容器电极材料方面的应用优势和存在的关键问题,本文以炭-/石墨烯量子点、量子点/导电炭复合材料、量子点/金属氧化物复合材料、量子点/导电聚合物复合材料以及量子点衍生炭这些电极材料为脉络,梳理了近年来该领域的发展状况,尝试阐释炭-/石墨烯量子点在电极材料、复合材料和衍生炭电极材料中所起到的关键作用,最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。本综述以期为炭-/石墨烯量子点基电极材料的研究提供一定参考和依据。

English

    1. [1]

      Simon, P.; Gogotsi, Y. Nat. Mater. 2008, 7, 845. doi: 10.1038/nmat2297

    2. [2]

      Salanne, M.; Rotenberg, B.; Naoi, K.; Kaneko, K.; Taberna, P. L.; Grey, C. P.; Dunn, B.; Simon, P. Nature Energy 2016, 1 (6), 16070. doi: 10.1038/nenergy.2016.70

    3. [3]

      Wang, F.; Wu, X.; Yuan, X.; Liu, Z.; Zhang, Y.; Fu, L.; Zhu, Y.; Zhou, Q.; Wu, Y.; Huang, W. Chem. Soc. Rev. 2017, 46 (22), 6816. doi: 10.1039/c7cs00205j

    4. [4]

      Wang, G.; Zhang, L.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2012, 41 (2), 797. doi: 10.1039/c1cs15060j

    5. [5]

      Simon, P.; Gogotsi, Y. Acc. Chem. Res. 2013, 46 (5), 1094. doi: 10.1021/ar200306b

    6. [6]

      Wang, Y.; Song, Y.; Xia, Y. Chem. Soc. Rev. 2016, 45 (21), 5925. doi: 10.1039/c5cs00580a

    7. [7]

      Xu, Y.; Wang, X.; Zhang, W. L.; Lv, F.; Guo, S. Chem. Soc. Rev. 2018, 47 (2), 586. doi: 10.1039/c7cs00500h

    8. [8]

      Lim, S. Y.; Shen, W.; Gao, Z. Chem. Soc. Rev. 2015, 44 (1), 362. doi: 10.1039/c4cs00269e

    9. [9]

      Wang, Y.; Hu, A. J. Mater. Chem. C 2014, 2 (34), 6921. doi: 10.1039/c4tc00988f

    10. [10]

      Li, L.; Wu, G.; Yang, G.; Peng, J.; Zhao, J.; Zhu, J. J. Nanoscale 2013, 5 (10), 4015. doi: 10.1039/c3nr33849e

    11. [11]

      Zhang, Z.; Zhang, J.; Chen, N.; Qu, L. Energy Environ. Sci. 2012, 5 (10), 8869. doi: 10.1039/c2ee22982j

    12. [12]

      Zheng, X. T.; Ananthanarayanan, A.; Luo, K. Q.; Chen, P. Small 2015, 11 (14), 1620. doi: 10.1002/smll.201402648

    13. [13]

      夏锐, 王时茂, 董伟伟, 方晓东.物理化学学报, 2017, 33 (4), 670. doi: 10.3866/PKU.WHXB201701101Xia, R.; Wang, S. M.; Dong, W. W.; Fang, X. D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (4), 670. doi: 10.3866/PKU.WHXB201701101

    14. [14]

      贺平, 袁方龙, 王子飞, 谭占鳌, 范楼珍.物理化学学报, 2018, 34 (11), 1250. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804041He, P.; Yuan, F. L.; Wang, Z. F.; Tan, Z. A.; Fan, L. Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (11), 1250. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804041

    15. [15]

      胡超, 穆野, 李明宇, 邱介山.物理化学学报, 2019, 35 (6), 572. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806060Hu, C.; Mu, Y.; Li, M. Y.; Qiu, J. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (6), 572. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806060

    16. [16]

      刘杰, 叶江林, 潘飞, 王向阳, 朱彦武.中国科学材料科学, 2019, 62 (4), 545. doi: 10.1007/s40843-018-9309-xLiu, J.; Ye, J. L.; Pan, F.; Wang, X. Y.; Zhu, Y. W. Sci. China Mater. 2019, 62 (4), 545. doi: 10.1007/s40843-018-9309-x

    17. [17]

      谢观水, 郝凡, 路凯峰, 张坚.电池, 2017, 47 (6), 370. doi: 10.19535/j.1001-1579.2017.06.014Xie, G. S.; Hao, F.; Lu, K. F.; Zhang, J. Battery Bimonthly 2017, 47 (6), 370. doi: 10.19535/j.1001-1579.2017.06.014

    18. [18]

      时志强, 牛永芳, 段建, 王静, 张进.天津工业大学学报, 2018, 37 (3), 49. doi: 10.3969/j.issn.1671-024x.2018.03.009Shi, Z. Q.; Niu, Y. F.; Duan, J.; Wang, J.; Zhang, J. J. Tianjin Polytech.c Univ. 2018, 37 (3), 49. doi: 10.3969/j.issn.1671-024x.2018.03.009

    19. [19]

      吴坤, 许思哲, 周雪皎, 吴海霞.电化学, 2013, 19 (4), 361. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DHXX201304013.htmWu, K.; Xu, S. Z.; Zhou, X. J.; Wu, H. X. J. Electrochem. 2013, 19 (4), 361. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DHXX201304013.htm

    20. [20]

      丁自成, 张璐, 刘俊.中国科学:化学2018, 48 (8), 902. doi: 10.13208/j.electrochem.2013.04.004Ding, Z. C.; Zhang, L.; Liu, J. Sci. China Chem. 2018, 48 (8), 902. doi: 10.13208/j.electrochem.2013.04.004

    21. [21]

      Liu, H.; Ye, T.; Mao, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46 (34), 6473. doi: 10.1002/anie.200701271

    22. [22]

      Dong, Y.; Zhou, N.; Lin, X.; Lin, J.; Chi, Y.; Chen, G. Chem. Mater. 2010, 22 (21), 5895. doi: 10.1021/cm1018844

    23. [23]

      Liu, R.; Wu, D.; Liu, S.; Koynov, K.; Knoll, W.; Li, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48 (25), 4598. doi: 10.1002/anie.200900652

    24. [24]

      Pan, D.; Zhang, J.; Li, Z.; Wu, M. Adv. Mater. 2010, 22 (6), 734. doi: 10.1002/adma.200902825

    25. [25]

      Pan, D.; Guo, L.; Zhang, J.; Xi, C.; Xue, Q.; Huang, H.; Li, J.; Zhang, Z.; Yu, W.; Chen, Z.; e t al. J. Mater. Chem. 2012, 22 (8), 3314. doi: 10.1039/c2jm16005f

    26. [26]

      Lu, J.; Yan, M.; Ge, L.; Ge, S.; Wang, S.; Yan, J.; Yu, J. Biosens. Bioelectron. 2013, 47, 271. doi: 10.1016/j.bios.2013.03.039

    27. [27]

      Zhou, J. G.; Booker, C.; Li, R. Y.; Zhou, X. T.; Sham, T. -K.; Sun, X. L.; Ding, Z. F. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129 (4), 744. doi: 10.1021/ja0669070

    28. [28]

      Peng, J.; Gao, W.; Gupta, B. K.; Liu, Z.; Romero-Aburto, R.; Ge, L.; Song, L.; Alemany, L. B.; Zhan, X.; Gao, G.; et al. Nano Lett. 2012, 12 (2), 844. doi: 10.1021/nl2038979

    29. [29]

      Bourlinos, A. B.; Stassinopoulos, A.; Anglos, D.; Zboril, R.; Karakassides, M.; Giannelis, E. P. Small 2008, 4 (4), 455. doi: 10.1002/smll.200700578

    30. [30]

      Dong, Y.; Shao, J.; Chen, C.; Li, H.; Wang, R.; Chi, Y.; Lin, X.; Chen, G. Carbon 2012, 50 (12), 4738. doi: 10.1016/j.carbon.2012.06.002

    31. [31]

      Yang, Z. C.; Wang, M.; Yong, A. M.; Wong, S. Y.; Zhang, X. H.; Tan, H.; Chang, A. Y.; Li, X.; Wang, J. Chem. Commun. 2011, 47 (42), 11615. doi: 10.1039/c1cc14860e

    32. [32]

      Tang, L. J., R.; Cao, X.; Lin, J.; Jiang, H.; Li, X.; Teng, K. S.; Luk, C. M.; Zeng, S.; Hao, J.; Lau S. P. ACS Nano 2012, 6 (6), 5102. doi: 10.1021/nn300760g

    33. [33]

      Lu, J.; Yeo, P. S.; Gan, C. K.; Wu, P.; Loh, K. P. Nat. Nanotechnol. 2011, 6 (4), 247. doi: 10.1038/nnano.2011.30

    34. [34]

      Li, Z.; Qin, P.; Wang, L.; Yang, C.; Li, Y.; Chen, Z.; Pan, D.; Wu, M. Electrochim. Acta 2016, 208, 260. doi: 10.1016/j.electacta.2016.05.030

    35. [35]

      Wang, L.; Wang, Y.; Xu, T.; Liao, H.; Yao, C.; Liu, Y.; Li, Z.; Chen, Z.; Pan, D.; Sun, L.; et al. Nat. Commun. 2014, 5(1), 5357. doi: 10.1038/ncomms6357

    36. [36]

      Randin, J. P.; Yeager, E. J. Electroanal. Chem. 1972, 36(2), 257. doi: 10.1016/S0022-0728(72)80249-3

    37. [37]

      Randin, J. P.; Yeager, E. J. Electroanal. Chem. 1975, 58(2), 313. doi: 10.1016/S0022-0728(75)80089-1

    38. [38]

      Chen, J.; Han, Y.; Kong, X.; Deng, X.; Park, H. J.; Guo, Y.; Jin, S.; Qi, Z.; Lee, Z.; Qiao, Z.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (44), 13822. doi: 10.1002/anie.201605926

    39. [39]

      Zhu, J.; Childress, A. S.; Karakaya, M.; Dandeliya, S.; Srivastava, A.; Lin, Y.; Rao, A. M.; Podila, R. Adv. Mater. 2016, 28 (33), 7185. doi: 10.1002/adma.201602028

    40. [40]

      Wang, H.; Wang, Y.; Hu, Z.; Wang, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4 (12), 6827. doi: 10.1021/am302000z

    41. [41]

      Liu, W. W.; Feng, Y. Q.; Yan, X. B.; Chen, J. T.; Xue, Q. J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23 (33), 4111. doi: 10.1002/adfm.201203771

    42. [42]

      Liu, W.; Yan, X.; Chen, J.; Feng, Y.; Xue, Q. Nanoscale 2013, 5 (13), 6053. doi: 10.1039/c3nr01139a

    43. [43]

      Shen, B.; Lang, J.; Guo, R.; Zhang, X.; Yan, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 (45), 25378. doi: 10.1021/acsami.5b07909

    44. [44]

      Li, Z.; Cao, L.; Qin, P.; Liu, X.; Chen, Z.; Wang, L.; Pan, D.; Wu, M. Carbon 2018, 139, 67. doi: 10.1016/j.carbon.2018.06.042

    45. [45]

      Hassan, M.; Haque, E.; Reddy, K. R.; Minett, A. I.; Chen, J.; Gomes, V. G. Nanoscale 2014, 6 (20), 11988. doi: 10.1039/c4nr02365j

    46. [46]

      Miah, M.; Bhattacharya, S.; Gupta, A.; Saha, S. K. Electrochim. Acta 2016, 222, 709. doi: 10.1016/j.electacta.2016.11.027

    47. [47]

      Lee, K.; Lee, H.; Shin, Y.; Yoon, Y.; Kim, D.; Lee, H. Nano Energy 2016, 26, 746. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.06.030

    48. [48]

      Li, Q.; Cheng, H.; Wu, X.; Wang, C. F.; Wu, G.; Chen, S. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (29), 14112. doi: 10.1039/c8ta02124d

    49. [49]

      Jiang, L.; Sheng, L.; Long, C.; Wei, T.; Fan, Z. Adv. Energy Mater. 2015, 5 (15), 1500771. doi: 10.1002/aenm.201500771

    50. [50]

      Xu, Y.; Li, X.; Hu, G.; Wu, T.; Luo, Y.; Sun, L.; Tang, T.; Wen, J.; Wang, H.; Li, M. Appl. Surfurce Sci. 2017, 422, 847. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.05.189

    51. [51]

      Kumar, V. B.; Borenstein, A.; Markovsky, B.; Aurbach, D.; Gedanken, A.; Talianker, M.; Porat, Z. J. Phys. Chem. C 2016, 120 (25), 13406. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b04045

    52. [52]

      Islam, M. S.; Deng, Y.; Tong, L.; Roy, A. K.; Faisal, S. N.; Hassan, M.; Minett, A. I.; Gomes, V. G. Mater. Today Commun. 2017, 10, 112. doi: 10.1016/j.mtcomm.2016.11.002

    53. [53]

      Li, Z.; Li, Y.; Wang, L.; Cao, L.; Liu, X.; Chen, Z.; Pan, D.; Wu, M. Electrochim. Acta 2017, 235, 561. doi: 10.1016/j.electacta.2017.03.147

    54. [54]

      Li, Z.; Bu, F.; Wei, J.; Yao, W.; Wang, L.; Chen, Z.; Pan, D.; Wu, M. Nanoscale 2018, 10 (48), 22871. doi: 10.1039/c8nr06986g

    55. [55]

      Chen, Q.; Hu, Y.; Hu, C.; Cheng, H.; Zhang, Z.; Shao, H.; Qu, L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16 (36), 19307. doi: 10.1039/c4cp02761b

    56. [56]

      Li, Z.; Liu, X.; Wang, L.; Bu, F.; Wei, J.; Pan, D.; Wu, M. Small 2018, 14 (39), e1801498. doi: 10.1002/smll.201801498

    57. [57]

      Zhao, X.; Li, M.; Dong, H. W.; Liu, Y. L.; Hu, H.; Cai, Y. J.; Liang, Y. R.; Xiao, X.; Zheng, M. T. ChemSusChem 2017, 10 (12), 2626. doi: 10.1002/cssc.201700474

    58. [58]

      Tan, W.; Fu, R.; Ji, H.; Kong, Y.; Xu, Y.; Qin, Y. Int. J. Biol. Macromol. 2018, 112, 561. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.02.014

    59. [59]

      Wei, J. S.; Ding, C.; Zhang, P.; Ding, H.; Niu, X. Q.; Ma, Y. Y.; Li, C.; Wang, Y. G.; Xiong, H. M. Adv. Mater. 2019, 31 (5), e1806197. doi: 10.1002/adma.201806197

    60. [60]

      Qing, Y.; Jiang, Y. T.; Lin, H.; Wang, L. X.; Liu, A. J.; Cao, Y. L.; Sheng, R.; Guo, Y.; Fan, C. W.; Zhang, S.; et al. J. Mater. Chem. A 2019. doi: 10.1039/C8TA11620B

    61. [61]

      Ganganboina, A. B.; Chowdhury, A. D.; Doong, R. Electrochim. Acta 2017, 245, 912. doi: 10.1016/j.electacta.2017.06.002

    62. [62]

      Ganganboina, A. B.; Chowdhury, A. D.; Doong, R. A. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5 (6), 4930. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b00329

    63. [63]

      Wei, G.; Du, K.; Zhao, X.; Wang, Z.; Liu, M.; Li, C.; Wang, H.; An, C.; Xing, W. Nano Res. 2017, 10 (9), 3005. doi: 10.1007/s12274-017-1516-4

    64. [64]

      Zhu, C.; Chao, D.; Sun, J.; Bacho, I. M.; Fan, Z.; Ng, C. F.; Xia, X.; Huang, H.; Zhang, H.; Shen, Z. X.; et al. Adv. Mater. Interfaces 2015, 2 (2), 1400499. doi: 10.1002/admi.201400499

    65. [65]

      Yin, X.; Chen, H.; Zhi, C.; Sun, W.; Lv, L. P.; Wang, Y. Small 2018, 14 (22), e1800589. doi: 10.1002/smll.201800589

    66. [66]

      Zhang, W.; Xu, T.; Liu, Z.; Wu, N. L.; Wei, M. Chem. Commun. 2018, 54 (12), 1413. doi: 10.1039/c7cc09406j

    67. [67]

      Chao, D.; Zhu, C.; Xia, X.; Liu, J.; Zhang, X.; Wang, J.; Liang, P.; Lin, J.; Zhang, H.; Shen, Z. X.; et al. Nano Lett. 2015, 15 (1), 565. doi: 10.1021/nl504038s

    68. [68]

      Deng, G.; Chao, D.; Guo, Y.; Chen, Z.; Wang, H.; Savilov, S. V.; Lin, J.; Shen, Z. X. Energy Storage Mater. 2016, 5, 198. doi: 10.1016/j.ensm.2016.07.007

    69. [69]

      Zhu, Y.; Ji, X.; Pan, C.; Sun, Q.; Song, W.; Fang, L.; Chen, Q.; Banks, C. E. Energy Environ. Sci. 2013, 6 (12), 3665. doi: 10.1039/c3ee41776j

    70. [70]

      Lv, H.; Gao, X.; Xu, Q.; Liu, H.; Wang, Y. G.; Xia, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (46), 40394. doi: 10.1021/acsami.7b14761

    71. [71]

      Jia, H.; Cai, Y.; Lin, J.; Liang, H.; Qi, J.; Cao, J.; Feng, J.; Fei, W. Adv. Sci. 2018, 5 (5), 1700887. doi: 10.1002/advs.201700887

    72. [72]

      Zhu, Y.; Wu, Z.; Jing, M.; Hou, H.; Yang, Y.; Zhang, Y.; Yang, X.; Song, W.; Jia, X.; Ji, X. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (2), 866. doi: 10.1039/c4ta05507a

    73. [73]

      Wei, J. S.; Ding, H.; Zhang, P.; Song, Y. F.; Chen, J.; Wang, Y. G.; Xiong, H. M. Small 2016, 12 (43), 5927. doi: 10.1002/smll.201602164

    74. [74]

      Mondal, S.; Rana, U.; Malik, S. Chem. Commun. 2015, 51 (62), 12365. doi: 10.1039/c5cc03981a

    75. [75]

      Ghosh, T.; Ghosh, R.; Basak, U.; Majumdar, S.; Ball, R.; Mandal, D.; Nandi, A. K.; Chatterjee, D. P. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (15), 6476. doi: 10.1039/c7ta11050b

    76. [76]

      Zhao, Z.; Xie, Y. J. Power Sources 2017, 337, 54. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.10.110

    77. [77]

      Jian, X.; Li, J.; Yang, H.; Cao, L.; Zhang, E.; Liang, Z. H. Carbon 2017, 114, 533. doi: 10.1016/j.carbon.2016.12.033

    78. [78]

      Zhang, X.; Wang, J.; Liu, J.; Wu, J.; Chen, H.; Bi, H. Carbon 2017, 115, 134. doi: 10.1016/j.carbon.2017.01.005

    79. [79]

      De, B.; Kuila, T.; Kim, N. H.; Lee, J. H. Carbon 2017, 122, 247. doi: 10.1016/j.carbon.2017.06.076

    80. [80]

      Unnikrishnan, B.; Wu, C. W.; Chen, I. W. P.; Chang, H. T.; Lin, C. H.; Huang, C. C. ACS Sustainable Chem. Eng. 2016, 4 (6), 3008. doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01700

    81. [81]

      Lv, H.; Yuan, Y.; Xu, Q.; Liu, H.; Wang, Y. G.; Xia, Y. J. Power Sources 2018, 398, 167. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.07.059

    82. [82]

      Chen, G.; Wu, S.; Hui, L.; Zhao, Y.; Ye, J.; Tan, Z.; Zeng, W.; Tao, Z.; Yang, L.; Zhu, Y. Sci. Rep. 2016, 6, 19028. doi: 10.1038/srep19028

    83. [83]

      Tan, Z.; Ni, K.; Chen, G.; Zeng, W.; Tao, Z.; Ikram, M.; Zhang, Q.; Wang, H.; Sun, L.; Zhu, X.; et al. Adv. Mater. 2017, 29 (8), 1603414. doi: 10.1002/adma.201603414

    84. [84]

      Strauss, V.; Marsh, K.; Kowal, M. D.; El-Kady, M.; Kaner, R. B. Adv. Mater. 2018, 30 (8), 1704449. doi: 10.1002/adma.201704449

    85. [85]

      Zhang, S.; Zhu, J.; Qing, Y.; Fan, C.; Wang, L.; Huang, Y.; Sheng, R.; Guo, Y.; Wang, T.; Pan, Y.; et al. Mater. Today Energy 2017, 6, 36. doi: 10.1016/j.mtener.2017.08.003

    86. [86]

      Zhang, S.; Zhu, J.; Qing, Y.; Wang, L.; Zhao, J.; Li, J.; Tian, W.; Jia, D.; Fan, Z. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (52), 1805898. doi: 10.1002/adfm.201805898

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  15
  • 文章访问数:  2025
  • HTML全文浏览量:  194
文章相关
  • 发布日期:  2020-02-15
  • 收稿日期:  2019-03-25
  • 接受日期:  2019-04-25
  • 修回日期:  2019-04-23
  • 网络出版日期:  2019-02-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章