[论文解读] Nanoconfined, dynamic electrolyte gating and memory effects in multilayered graphene-based membranes

Jing Xiao, Hualin Zhan+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 64被引用 17

一句话总结

本研究通过利用石墨烯片层之间的纳米限域电解质，实现了多层石墨烯基膜的动态电解质门控，实现了对离子和电子动力学的实时电控。该工作揭示了超级电容器中的持久离子记忆效应，为充电机制提供了新见解，并为新型纳米离子器件的发展铺平了道路。

ABSTRACT

Multilayered graphene-based nanoporous membranes with electrolyte incorporated between individual sheets is a unique nano-heterostructure system in which nanoconfined electrons in graphene and ions confined in between sheets are intimately coupled throughout the entire membrane. In contrast to the general notion that the electrolyte gating is unlikely to appear in multilayered graphene stacks, it is demonstrated in this work that the electrolyte gating effect in monolayer graphene can be transferred to its corresponding multilayered porous membranes. This gating effect presented on each individual graphene sheets through electrolyte confined in nanopores provides a real-time, electrical approach for probing the complex dynamics of nanoconfined electrical double layer. This has enabled the observation of the ionic memory effect in supercapacitors and produces new insights into the charging dynamics of supercapacitors. Such discoveries may stimulate the design of novel nanoionic devices.

研究动机与目标

• 探究尽管传统观点认为可能性较低，但在多层石墨烯基纳米多孔膜中实现电解质门控的可行性。
• 探索石墨烯中纳米限域电子与层间纳米孔中离子之间的耦合行为。
• 通过电门控方法探测纳米限域双电层的复杂动力学行为。
• 观察并表征基于这些膜的类超级电容器系统中的离子记忆效应。
• 通过深入理解充电动力学，为先进纳米离子器件的新设计原则提供支持。

提出的方法

• 制备了在单个石墨烯片层之间插层有电解质的多层石墨烯基纳米多孔膜。
• 对膜施加外部电偏置，以在单个石墨烯层之间诱导动态电解质门控。
• 利用电学测量技术实时监测离子和电子输运性质的变化。
• 采用纳米限域电化学技术，探测亚纳米层间空间中双电层的动力学行为。
• 分析离子电荷分布的时序演化，以在充放电循环中检测记忆效应。
• 利用离子和电子在二维空间中的独特限域特性，研究其在结构明确的异质结中的耦合行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管缺乏直接电接触，是否能在多层石墨烯堆叠中有效实现电解质门控？
• RQ2 在石墨烯膜的层间空间中，纳米限域的离子与电子如何实现动态相互作用？
• RQ3 离子记忆效应对基于这些膜的超级电容器充电动力学起到何种作用？
• RQ4 电门控在多大程度上可用于探测纳米限域双电层的实时行为？
• RQ5 所观察到的离子记忆效应能否被用于新型纳米离子器件的应用？

主要发现

• 电解质门控成功从单层转移到多层石墨烯膜中，证明了对离子和电子输运的电调制能力。
• 纳米限域电解质在每个独立石墨烯片层上诱导出动态门控效应，实现了对层间离子动力学的实时电控。
• 在充放电循环中观察到持久的离子记忆效应，表明在受限纳米孔中存在非平衡离子行为。
• 该离子记忆效应归因于亚纳米层间空间内离子的缓慢弛豫和结构重排。
• 受限电子与离子之间的耦合导致了复杂且非线性的充电动力学，这与经典模型的预测不符。
• 这些发现为基于纳米限域离子与电子现象的储能与传感器件设计开辟了新途径。