延世大学：MnO2修饰多孔3D打印石墨烯超级电容器，用于光合电力

成果简介

本文，延世大学WonHyoung Ryu等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“MnO2-decorated highly porous 3D-printed graphene supercapacitors for photosynthetic power systems”的论文，研究一种自充电、高多孔二氧化锰修饰的三维打印石墨烯电极系统，可同时提取和存储聚乙烯。该系统克服了之前展示的 TM 涂层生物太阳能超级电容器系统的性能限制，采用了高多孔 MnO2 层以获得最大的超级电容，以及三维打印多孔石墨烯电极以获得大表面积和光吸收。

研究特别着重研究了 MnO2 在三维石墨烯电极上的电沉积如何影响 PE 的提取和存储性能。52-54 为了在三维打印的 GO 电极上沉积 MnO2 层，我们采用了三种不同的方法，如纳米颗粒浸涂法、电静电（GAL）法和电位动力（PD）电沉积法。测量并比较了它们的超级电容性能，如电容、保持率、平均功率和能量密度。在二氧化锰装饰的三维石墨烯电极（TMG 电极）上沉积 TMs后，对TMG电极的 PE 收集和存储性能进行了评估。最后，构建了具有 Pt/C空气阴极的生物光伏电池（BPCs），以表征 PE 收集和自充电性能。

图文导读

图1、 由高多孔 3D 打印 TMG 晶格组成的自充电生物光伏电池示意图（左）。图中显示了 PE 收集和自充电的机制（右图）。

图2 、(a) CB、HPMC 和 GO 片材及其用于氢键的表面官能团示意图。(b) 不同 CB 含量的水凝胶油墨混合物的粘度与剪切速率的对数曲线图。(c) 水凝胶油墨混合物的流变特性取决于 CB 的含量。(d) 水凝胶油墨混合物的屈服应力和应变取决于 CB 的含量。

图3、(a) 三维打印 MG 电极的制造过程示意图。(b) 三维打印G电极的俯视图和侧视图，以及直径为400微米的韧带的扫描电镜图像。(c) 原始G电极和MnO2沉积G电极表面的SEM图像。(d) 不同方法沉积的MG电极的孔隙率和比表面积。

图4、 (a) 不同扫描速率下采用电位动力法 (PD) 制作的 MG 电极的扫描电镜图像。(b) 不同扫描速率下沉积有二氧化锰的三个电极的孔径分布比较。(c) 用 Na2SO4 溶液（0.1 M）对 G 和 MG 电极进行的润湿性测试。(d) 用二氧化锰沉积的 G 型电极和 MG 型电极的孔隙率和比表面积。

图5. (a) 电流密度为 20 mA cm-2 时，12 层厚度的三种不同电极的静电充放电曲线。(b) PD 和 Gal 沉积的 MG 电极在 10 000 次充放电循环（10 mA cm-2）中的电容保持情况。插图显示的是 PD-MG 电极。(c) 3D 打印电极层数对面积电容、重力电容和体积电容的影响。(d) 三维打印电极的韧带间距对电容的影响。(e) 对称超级电容器在不同电流密度下的静电充电-放电曲线。(f) 通过重复 10 000 次充电-放电循环对对称超级电容器进行电容保持测试。(g) 用于评估电容的 TMG 阳极三电极系统配置照片。(h) 循环伏安法测量，评估每个阳极（G、MG 和 TMG 电极）的电容。

图6、 (a) 使用 3D 打印的 MG 电极作为工作电极提取 PE 的实验装置示意图。(b) 100 mW cm-2 光强和 0.5 V 偏置电位下的光触发 PE 电流。三维打印 MG 电极的（c）层数和（d）韧带间距对 PE 电流密度的影响。(e）10 层、250 微米间距的 3D 打印 MG 电极达到的最高 PE 电流（580 μA cm-2）。(f) 四种不同类型电极的 PE 电流密度比较。

图7. (a) PD-400 MG 电极在不同扫描速率下的 CV 图。(b) 扫描速率对 0.5 V 与 Ag/AgCl 阳极电流密度的影响。(c) 与块状 MnO2 电极相比，3D 打印 MG 电极的快速和慢速动力学对电容的贡献。

小结

通过三维打印复合GO水凝胶、热还原以及MnO2的电位沉积，成功制造出了高多孔三维 MG 微晶格。超级电容性三维MG微晶格实现了304Fg-1 的大电容，在电极上沉积TM后，TMG电极实现了高达580μA cm-2的光触发 PE 电流。全电池测试证明了 TMG 电极的自充电能力，其OCV为0.333V，在外部负载为 500 欧姆的照明下对 PE进行充电和放电。最后，TMG全电池产生了 930 mW m-2的功率密度。

文献：

https://doi.org/10.1039/D3TA03716A