碳憑借離子與電極之間的相互作用，被廣泛用作電化學(xué)儲(chǔ)能中的電極。碳電極的性能由多種因素決定，包括碳材料的結(jié)構(gòu)特征以及特定環(huán)境下碳表面吸附的離子的行為。作為石墨碳的基本單元，石墨烯已被用作模型，通過(guò)各種異位或原位實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法來(lái)理解碳材料的儲(chǔ)能機(jī)制。在本研究中作者們簡(jiǎn)要概述了石墨烯離子存儲(chǔ)機(jī)制的最新進(jìn)展。主題包括碳的結(jié)構(gòu)工程、離子的電門(mén)控效應(yīng)、界面或有限空間中的離子動(dòng)力學(xué)，特別是石墨烯上的鋰離子存儲(chǔ)/反應(yīng)。作者的目標(biāo)是促進(jìn)對(duì)碳電極電化學(xué)的理解。
Fig 1. (A) 使用狹縫/圓柱非局域密度泛函理論模型通過(guò) N
2 吸附測(cè)量微波剝離氧化石墨烯（壓縮力為 10 噸或 25 噸）的未壓縮和壓縮活化的孔徑分布。通過(guò)透射電子顯微鏡觀察到（B）單層石墨烯的拓?fù)淙毕莺停–）Ar
+等離子體處理引起的少層石墨烯（FLG）的擴(kuò)展孔隙。 (D) FLG 中拉曼光譜的 D 峰和 G 峰強(qiáng)度比 (
ID/
IG) 與比電容之間的關(guān)系。插圖顯示
ID/
IG 隨著等離子體功率的增加而增加。 (E) 石墨烯中的雜原子摻雜。 (F) 量子電容和 (G) 6 M KOH 水溶液中的亥姆霍茲電容與電壓的關(guān)系，具體取決于多層石墨烯 (MLG) 的層數(shù)。 (H) MLG中離子嵌入的示意圖。
Fig 2. (A) IL 門(mén)控石墨烯裝置。 (B) 通過(guò)源極和漏極的電流由 PEO/LiClO
4 電解質(zhì)中的柵極電壓調(diào)制。 (C) PEO/LiClO
4 電解質(zhì)中石墨烯的 2D 與 G 拉曼峰強(qiáng)度之比。 (D) 基于緊束縛模型計(jì)算的雙層石墨烯在施加垂直電場(chǎng)之前（紅色）和之后（綠色）的能帶結(jié)構(gòu)。(E) IL門(mén)控石墨烯膜在KCl水溶液中的示意圖。 (F) rGO膜在1.0 M KCl水溶液中的實(shí)時(shí)滲透監(jiān)測(cè)裝置。
Fig 3. (A) 在純 EMI
+/TFSI 中在 SLG 上測(cè)得的質(zhì)量和雙層電容的變化。(B) 2 M [EMIM
+/TFSI
−]/AN 電解質(zhì)中 SLG 的質(zhì)量變化。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的帶電石墨界面處 C
4C
1Im
+/AOT
− 的 (C) 離子排列和 (D) 離子數(shù)密度。 (E) 1.00 M LiCl、NaCl、KCl、CsCl 水溶液中從水合陽(yáng)離子到石墨烯電極的總電荷轉(zhuǎn)移，通過(guò)對(duì)每個(gè)離子的電荷轉(zhuǎn)移和局部陽(yáng)離子密度進(jìn)行積分計(jì)算得出，該密度源自勢(shì)能表面的玻爾茲曼權(quán)重石墨烯電極，均在插圖中。
Fig 4. (A) 經(jīng)水或0.25 M鹽水溶液處理的GO膜的層間距。 (B) 通過(guò)將兩塊塊狀石墨、hBN 和 MoS
2 推到一起構(gòu)建的埃級(jí)狹縫中不同離子的遷移率。(C) 石墨烯膜的孔徑分布取決于剝離石墨烯的含量。 (D) 雙層石墨烯上四個(gè)位置（藍(lán)色、黃色、綠色和紅色）處提取的 Li 濃度 nLi 與時(shí)間的關(guān)系，如上圖所示，B = 10 T 和 T = 300 K，擬合斜率給出了擴(kuò)散常數(shù)雙層石墨烯中的Li
+。右圖顯示了不同時(shí)間雙層石墨烯上不同位置的鋰密度。 (E) MLG 中低缺陷密度和高缺陷密度下 Li
+ 的擴(kuò)散路徑。
Fig5. (A) 0.50 mAh cm
−2 鍍鋰后氮摻雜石墨烯電極和銅箔電極的掃描電子顯微鏡圖像。 （B）Li（110）面與石墨烯晶格失配的石墨烯上Li存儲(chǔ)示意圖。(C) 雙層石墨烯中存儲(chǔ) Li
+ 的原位透射電子顯微鏡裝置的側(cè)視圖。 (D) 不同吸附鋰原子數(shù)的Stone-Wales缺陷的反應(yīng)路徑和形成能。
相關(guān)研究工作由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Yanwu Zhu課題組于2024年在線發(fā)表在《Interdiscip. Mater.》期刊上，Storage dynamics of ions on graphene.原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/idm2.12146
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
