鋰離子電池（LIBs ）因其高能量密度、長使用壽命和低自放電率而成為最具吸引力的儲(chǔ)能設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品中。它們也被視為電動(dòng)汽車和固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)的電源。石墨電極已廣泛應(yīng)用于商業(yè)化鋰離子電池中，但其相對較低的理論比容量（372 mA h g−1）無法滿足未來大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備的市場需求。因此，迫切需要開發(fā)具有更大比容量和更高功率密度的新型鋰電池電極材料。近年來 ，過渡金屬釩酸鹽因其高比容量而成為極具競爭力和前景的電極材料。例如，Co3O4@Co3V2O8、Co2V2O7、Zn2V2O7、Zn3V3O8/C、NiCo2V2O8和Ni3V2O8已被報(bào)道為鋰離子電池的電極材料。在金屬釩酸鹽中，由于鈉 釩酸鹽分子量小且單位比容量相對較高，因此成為關(guān)鍵材料。然而，作為鋰電池電極材料的釩酸鹽因溶解、倍率性能差和導(dǎo)電性低而遭受容量衰減。
因此，制備具有高容量和良好循環(huán)性能的釩酸鹽電極仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。大量研究表明，導(dǎo)電碳材料的涂覆可以有效適應(yīng)充放電過程中材料的體積波動(dòng)，減輕電解質(zhì)和活性物質(zhì)的副反應(yīng)，維持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高鋰離子電池的循環(huán)壽命。目前，包括空心納米結(jié)構(gòu)碳、碳納米棒、碳納米纖維、碳納米片、多孔碳、硬碳、石墨 烯和雜原子摻雜碳材料在內(nèi)的各種碳材料是最受歡迎的涂覆材料。盡管普通碳包覆材料提高了電極材料的性能，但碳層存在不均勻和覆蓋不完全的問題。碳量子點(diǎn)（CDs）是一類零維碳納米材料，具有準(zhǔn)球形形貌和豐富的活性位點(diǎn)，但其導(dǎo)電性較差。無聚集的CDs（3-5 nm）因其尺寸小，可以為不同材料實(shí)現(xiàn)均勻可控的涂覆。此外，CDs作為下一代能源材料具有巨大潛力。然而，CDs之間的空隙可能影響涂覆層的完整性和密度， 因此不能用作固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。
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圖1 (a) C@NVO納米線合成示意圖。(b) NVO和C@NVO-400的XRD圖譜。(c) NVO和C@NVO-400納米線的拉曼光譜。
解析
圖1 (a) C@NVO納米線合成示意圖
這部分描述的是圖1中的(a)圖，它展示了C@NVO納米線的合成過程示意圖。C@NVO納米線是一種由碳量子點(diǎn)（CDs）重構(gòu)形成的碳膜覆蓋的Na5V12O32（NVO）納米線，這種結(jié)構(gòu)通過原位包覆策略制備，旨在提高鋰離子電池（LIBs）電極的性能。示意圖可能展示了從原材料到最終C@NVO納米線的各個(gè)步驟，包括NVO納米線的制備、碳量子點(diǎn)的合成、以及兩者如何結(jié)合形成最終的復(fù)合材料。
圖1 (b) NVO和C@NVO-400的XRD圖譜
這部分描述的是圖1中的(b)圖，它展示了NVO和C@NVO-400兩種材料的X射線衍射（XRD）圖譜。XRD是一種常用的材料結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，通過測量材料對X射線的衍射圖案，可以確定材料的晶體結(jié)構(gòu)。在這個(gè)圖中，NVO和C@NVO-400的衍射峰位置和強(qiáng)度將被展示出來，用于比較兩者的晶體結(jié)構(gòu)差異。特別是，C@NVO-400中可能出現(xiàn)的額外峰或峰強(qiáng)度的變化，可以反映出碳膜的存在及其對NVO晶體結(jié)構(gòu)的影響。此外，圖中還可能包含Ti箔的衍射峰，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中使用了Ti箔作為基底。
圖1 (c) NVO和C@NVO-400納米線的拉曼光譜
這部分描述的是圖1中的(c)圖，它展示了NVO和C@NVO-400納米線的拉曼光譜。拉曼光譜是一種非破壞性的材料分析技術(shù)，通過測量材料對入射光的散射光譜，可以獲得材料的分子振動(dòng)和晶體結(jié)構(gòu)信息。在這個(gè)圖中，NVO和C@NVO-400的拉曼峰位置和強(qiáng)度將被展示出來，用于分析兩者的分子振動(dòng)模式和晶體結(jié)構(gòu)特征。特別是，C@NVO-400的拉曼光譜中可能出現(xiàn)的D峰和G峰，是碳材料中常見的振動(dòng)模式，它們的存在和強(qiáng)度比可以反映出碳膜的石墨化程度和導(dǎo)電性。通過比較NVO和C@NVO-400的拉曼光譜，可以評估碳膜對NVO電極材料電化學(xué)性能的影響。
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圖2 不同溫度下C@NVO-X納米線的SEM圖像：C@NVO-300（a）、C@NVO-400（b）和C@NVO-500（c）；不同溫度下C@NVO-X納米線的TEM圖像：C@NVO-300（d）、C@NVO-400（e）和C@NVO-500（f）；以及EDS映射圖像（g）和碳膜形成示意圖（h）。
解析
這段文字描述了一個(gè)科學(xué)圖表（Fig. 2）的內(nèi)容，該圖表展示了在不同溫度下制備的C@NVO-X（碳包覆的鈉五氧化二釩納米線）復(fù)合材料的顯微鏡圖像和元素分布映射，以及碳膜形成的示意圖。具體解析如下：
SEM圖像：
SEM（掃描電子顯微鏡）圖像用于觀察材料的表面形貌和結(jié)構(gòu)。
圖中展示了在300°C、400°C和500°C不同溫度下制備的C@NVO-X納米線的SEM圖像，分別標(biāo)記為C@NVO-300（a）、C@NVO-400（b）和C@NVO-500（c）。
通過這些圖像，可以觀察到不同溫度對納米線形貌和結(jié)構(gòu)的影響。
TEM圖像：
TEM（透射電子顯微鏡）圖像用于觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體形貌。
圖中同樣展示了在300°C、400°C和500°C下制備的C@NVO-X納米線的TEM圖像，分別標(biāo)記為C@NVO-300（d）、C@NVO-400（e）和C@NVO-500（f）。
這些圖像提供了關(guān)于納米線內(nèi)部結(jié)構(gòu)和碳包覆層的更詳細(xì)信息。
EDS映射圖像：
EDS（能量色散X射線光譜）映射圖像用于顯示材料中元素的分布。
圖中（g）部分展示了C@NVO-X納米線中元素的分布映射，可以觀察到碳（C）、鈉（Na）、釩（V）和氧（O）等元素在納米線中的分布情況。
碳膜形成示意圖：
圖中（h）部分是一個(gè)示意圖，展示了碳膜如何在NVO納米線表面形成的過程。
這個(gè)示意圖有助于理解碳包覆層的形成機(jī)制和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
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圖3 C@NVO-400樣品的高分辨率X射線光電子能譜（XPS）：(a) V 2p譜，(b) C 1s譜，(c) O 1s譜。
解析
這段文字描述了圖3中展示的C@NVO-400樣品的XPS表征結(jié)果，具體解析如下：
1. XPS的作用與實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />
XPS（X射線光電子能譜）用于分析材料表面元素的化學(xué)態(tài)及組成，是驗(yàn)證材料表面包覆效果和化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。
2. 各分譜的解析
(a) V 2p譜
關(guān)注點(diǎn)：釩元素的氧化態(tài)（如V??、V??）及其比例。
科學(xué)意義：
若V 2p雙峰（對應(yīng)2p?/?和2p?/?）位置與純NVO（Na?V??O??）的特征峰一致，表明碳包覆未破壞釩氧化物的本體結(jié)構(gòu)。
若峰位偏移或裂分，可能反映釩與碳層之間形成化學(xué)鍵（如V-O-C），表明碳膜與NVO的結(jié)合強(qiáng)度較高。
(b) C 1s譜
關(guān)注點(diǎn)：碳的化學(xué)狀態(tài)（如C-C、C-O、C=O、O-C=O鍵）。
科學(xué)意義：
若C 1s譜中石墨化碳（C-C，~284.8 eV）占主導(dǎo)，說明碳層具有較高導(dǎo)電性，有利于電子的快速傳輸（與圖4的倍率性能數(shù)據(jù)對應(yīng)）。
若存在C-O（~286 eV）或C=O（~288 eV）峰，可能表明碳層中殘留含氧官能團(tuán)，可能與碳量子點(diǎn)（CDs）的原位分解包覆工藝相關(guān)。
(c) O 1s譜
關(guān)注點(diǎn)：氧的化學(xué)環(huán)境（晶格氧、表面羥基氧、吸附水等）。
科學(xué)意義：
若晶格氧（O²?，~530 eV）為主，表明NVO晶格結(jié)構(gòu)完整；
若表面羥基（-OH，~531.5 eV）或吸附氧（如H?O，~533 eV）峰顯著，可能反映材料表面活性位點(diǎn)或副反應(yīng)殘留（結(jié)合圖7的SEM分析可進(jìn)一步驗(yàn)證）。
3. 與全文的關(guān)聯(lián)
XPS結(jié)果驗(yàn)證了C@NVO-400的復(fù)合結(jié)構(gòu)：碳膜完整覆蓋NVO表面（C 1s譜主導(dǎo)的C-C鍵），同時(shí)未破壞NVO的本體結(jié)構(gòu)（V 2p和O 1s譜特征與原始NVO一致），這與材料的高導(dǎo)電性（圖5的GITT測試）和循環(huán)穩(wěn)定性（圖4的長期循環(huán)性能）密切相關(guān)。
若V-O-C鍵的存在（V 2p和C 1s譜聯(lián)合分析），可進(jìn)一步解釋碳膜與NVO的強(qiáng)結(jié)合，抑制NVO溶解（圖7的XRD/SEM結(jié)果支持）。
補(bǔ)充說明
原文中C@NVO-400的電化學(xué)性能提升（如2 A g?¹下1000次循環(huán)后容量保持穩(wěn)定）可能直接歸因于XPS揭示的以下特征：
導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)（C 1s的石墨化碳）促進(jìn)電子傳導(dǎo)；
穩(wěn)定界面（O 1s的晶格氧主導(dǎo)）抑制副反應(yīng)；
化學(xué)鍵結(jié)合（V-O-C鍵）增強(qiáng)碳膜與NVO的結(jié)合強(qiáng)度。
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圖4 (a) NVO和(b) C@NVO-400電極的循環(huán)伏安曲線。(c) NVO和(d) C@NVO-400電極在0.1 A g?¹電流密度下的恒流充放電曲線。(e) NVO和C@NVO-X電極的循環(huán)性能和(f) 倍率性能。(g) C@NVO-400電極在2 A g?¹電流密度下的長期循環(huán)性能。
解析
圖4概述：
圖4展示了一系列關(guān)于NVO（未覆蓋碳膜的鈉釩氧化物）和C@NVO-400（覆蓋有碳膜的鈉釩氧化物，且在400°C下處理）電極的電化學(xué)性能測試結(jié)果。這些測試包括循環(huán)伏安曲線、恒流充放電曲線、循環(huán)性能、倍率性能以及長期循環(huán)性能。
具體解析：
(a)和(b) 循環(huán)伏安曲線（CV curves）：
循環(huán)伏安法是一種電化學(xué)測試方法，通過測量電流隨電壓的變化來研究電極反應(yīng)的性質(zhì)。
圖4(a)和(b)分別展示了NVO和C@NVO-400電極的CV曲線。這些曲線可以揭示電極在充放電過程中的氧化還原反應(yīng)。
C@NVO-400電極的CV曲線顯示出更好的可逆性，表明碳膜的存在有助于減少副反應(yīng)，提高電極的穩(wěn)定性。
(c)和(d) 恒流充放電曲線：
恒流充放電測試用于評估電極在實(shí)際工作條件下的性能。
圖4(c)和(d)分別展示了NVO和C@NVO-400電極在0.1 A g?¹電流密度下的充放電曲線。
C@NVO-400電極的充放電平臺(tái)更長且更穩(wěn)定，表明碳膜有助于提高電極的充放電效率和穩(wěn)定性。
(e) 循環(huán)性能：
循環(huán)性能測試用于評估電極在多次充放電循環(huán)后的容量保持能力。
圖4(e)展示了NVO和C@NVO-X電極的循環(huán)性能。C@NVO-400電極在400次循環(huán)后仍保持較高的放電比容量，表明其具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
(f) 倍率性能：
倍率性能測試用于評估電極在不同電流密度下的性能表現(xiàn)。
圖4(f)展示了NVO和C@NVO-X電極的倍率性能。C@NVO-400電極在不同電流密度下均表現(xiàn)出較高的平均比容量，表明其具有優(yōu)異的快速充放電能力。
(g) 長期循環(huán)性能：
長期循環(huán)性能測試用于評估電極在長時(shí)間使用和多次充放電循環(huán)后的性能變化。
圖4(g)展示了C@NVO-400電極在2 A g?¹電流密度下的長期循環(huán)性能。該電極在1000次循環(huán)后仍保持較高的放電比容量和容量保持率，表明其具有出色的長期循環(huán)穩(wěn)定性。
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圖5 (a) NVO和(d) C@NVO-400電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）曲線；(b) NVO和(e) C@NVO-400電極的不同峰值電流與掃描速率之間的關(guān)系；(c) NVO和(f) C@NVO-400在不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)；(g) NVO和C@NVO-400電極的恒電流間歇滴定技術(shù)（GITT）曲線及相應(yīng)的(h)鋰離子（Li+）擴(kuò)散系數(shù)。
解析
這段文字描述了圖5中展示的一系列關(guān)于NVO（五氧化二釩納米線）和C@NVO-400（碳包覆的五氧化二釩納米線，在400℃下處理）電極的電化學(xué)性能測試結(jié)果，具體解析如下：
CV曲線：
(a) NVO和(d) C@NVO-400電極在不同掃描速率下的CV曲線：
展示了NVO和C@NVO-400電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安特性，反映了電極在不同電位下的氧化還原反應(yīng)情況。
峰值電流與掃描速率的關(guān)系：
(b) NVO和(e) C@NVO-400電極的不同峰值電流與掃描速率之間的關(guān)系：
通過分析不同掃描速率下的峰值電流，可以研究電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性，如反應(yīng)速率和擴(kuò)散控制程度。
電容貢獻(xiàn)：
(c) NVO和(f) C@NVO-400在不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)：
展示了在不同掃描速率下，電極的電容性貢獻(xiàn)（即雙電層電容和贗電容）所占的比例。這有助于理解電極的儲(chǔ)能機(jī)制。
GITT曲線和Li+擴(kuò)散系數(shù)：
(g) NVO和C@NVO-400電極的GITT曲線：
GITT（恒電流間歇滴定技術(shù)）是一種測量電極材料中離子擴(kuò)散系數(shù)的方法。通過施加短暫的電流脈沖并監(jiān)測電位隨時(shí)間的變化，可以推導(dǎo)出離子的擴(kuò)散系數(shù)。
(h) 相應(yīng)的Li+擴(kuò)散系數(shù)：
根據(jù)GITT曲線計(jì)算得到的Li+在NVO和C@NVO-400電極中的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)是衡量離子在電極材料中移動(dòng)能力的重要參數(shù)，對電池的充放電性能有重要影響。
整體解析：
圖5通過一系列電化學(xué)測試，包括循環(huán)伏安法、峰值電流與掃描速率關(guān)系分析、電容貢獻(xiàn)測定以及GITT測試，全面評估了NVO和C@NVO-400電極的電化學(xué)性能。特別是通過比較NVO和C@NVO-400的測試結(jié)果，可以揭示碳包覆層對電極性能的影響，如提高導(dǎo)電性、減緩容量衰減、改善循環(huán)穩(wěn)定性等。這些信息對于優(yōu)化電極材料設(shè)計(jì)、提高鋰離子電池性能具有重要意義。
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圖6 C@NVO-400電極在(a)放電過程和(b)充電過程中的原位奈奎斯特圖（插圖為高頻區(qū)域放大圖）；C@NVO-400電極在(c)放電過程和(d)充電過程中的原位波特圖。
解析
圖6概述
圖6通過原位電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析，展示了C@NVO-400電極在充放電過程中的動(dòng)力學(xué)行為，分為兩部分：
奈奎斯特圖（Nyquist plots）（圖6a和6b）：
通過阻抗實(shí)部（Z'）與虛部（Z''）的關(guān)系曲線，反映電極材料中電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）、固體電解質(zhì)界面膜（SEI）阻抗以及鋰離子擴(kuò)散阻抗的變化。
(a)放電過程和(b)充電過程：曲線半圓部分對應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移電阻，低頻直線對應(yīng)鋰離子擴(kuò)散。高頻區(qū)的放大圖（插圖）可觀察SEI膜或電解液/電極界面阻抗的動(dòng)態(tài)變化。
對比充放電過程：若充電過程的半圓直徑（Rct）大于放電過程，說明充電時(shí)鋰離子脫出引起的材料結(jié)構(gòu)變化可能增加了界面阻抗。
波特圖（Bode plots）（圖6c和6d）：
顯示阻抗模值（|Z|）和相位角（θ）隨頻率的變化關(guān)系。
(c)放電過程和(d)充電過程：中低頻區(qū)域（1 Hz-104 Hz）的相位角變化可分析鋰離子擴(kuò)散特性，高頻區(qū)（>104 Hz）對應(yīng)電解液或接觸電阻。
相位峰偏移：若充放電過程中相位峰頻率不同，表明界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)存在差異。
科學(xué)意義
動(dòng)態(tài)界面行為：
原位測試揭示了電極在實(shí)際工作狀態(tài)下的界面演變，碳包覆層（C@NVO-400）通過抑制SEI膜過度生長（高頻區(qū)阻抗穩(wěn)定）和降低電荷轉(zhuǎn)移電阻（半圓直徑較?。?，提高了界面穩(wěn)定性。
鋰離子傳輸機(jī)制：
低頻區(qū)直線斜率的穩(wěn)定性表明碳膜有效緩解了NVO的體積膨脹，保持了鋰離子擴(kuò)散路徑的完整性（結(jié)合圖4的循環(huán)性能數(shù)據(jù)）。
工藝優(yōu)化依據(jù)：
高頻區(qū)放大圖中SEI膜阻抗的動(dòng)態(tài)變化為優(yōu)化電解液配方和熱處理溫度（如文中400°C工藝）提供了參考。
補(bǔ)充說明
本文結(jié)論中提到的C@NVO-400電極在2 A g?¹下循環(huán)1000次的高穩(wěn)定性（圖4g），可能與此圖中穩(wěn)定的界面阻抗和鋰離子擴(kuò)散特性直接相關(guān)。
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圖7 (a) 在0.1 A g?¹電流密度下循環(huán)后的C@NVO-400電極的X射線衍射（XRD）圖譜；(b)和(c)循環(huán)后的C@NVO-400電極的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
解析
這段文字描述了圖7中展示的C@NVO-400電極在循環(huán)后的材料表征結(jié)果，具體解析如下：
1. XRD圖譜（圖7a）
作用：XRD用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，通過衍射峰的位置和強(qiáng)度判斷材料是否發(fā)生相變或結(jié)構(gòu)崩塌。
科學(xué)意義：
若循環(huán)后的XRD圖譜與原未循環(huán)材料（如初始狀態(tài)的C@NVO-400）基本一致，表明材料在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。
若出現(xiàn)新峰（如副反應(yīng)產(chǎn)物）或峰強(qiáng)度顯著變化，可能反映NVO材料溶解、碳膜破壞或電解液分解等問題。
結(jié)合原文中提到C@NVO-400電極的長期循環(huán)穩(wěn)定性（例如2 A g?¹下1000次循環(huán)容量不衰減），圖7a可能表明其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，碳包覆層有效抑制了結(jié)構(gòu)坍塌。
2. SEM圖像（圖7b和c）
作用：SEM用于觀察電極材料的微觀形貌變化，例如納米線是否斷裂、團(tuán)聚或表面產(chǎn)生裂紋。
科學(xué)意義：
若SEM顯示循環(huán)后的C@NVO-400電極仍保持納米線形貌完整（無明顯斷裂或團(tuán)聚），則印證碳包覆層對NVO材料的結(jié)構(gòu)保護(hù)作用（如防止體積膨脹和電解質(zhì)侵蝕）。
若圖像顯示表面覆蓋均勻的碳膜或SEI膜（需結(jié)合EDS或TEM進(jìn)一步驗(yàn)證），則說明碳包覆層的完整性是電極性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。
若出現(xiàn)顆粒粉化或裂紋（圖中未提及，但需假設(shè)對比），可能表明材料機(jī)械強(qiáng)度不足，而C@NVO-400通過碳膜避免了這一問題。
與全文的關(guān)聯(lián)
圖7的表征數(shù)據(jù)是驗(yàn)證C@NVO-400電極性能穩(wěn)定性的直接證據(jù)：
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（XRD）：說明碳膜和NVO的協(xié)同作用避免了循環(huán)過程中的相變或結(jié)構(gòu)崩塌。
形貌穩(wěn)定性（SEM）：印證碳包覆層通過物理隔離保護(hù)了NVO納米線，防止其溶解或粉化。
這些結(jié)果與圖4（循環(huán)性能、倍率性能）和圖5（動(dòng)力學(xué)分析）的結(jié)論一致，共同支撐全文核心論點(diǎn)——碳包覆策略顯著提升了釩酸鹽電極的實(shí)用性。
因此，本研究通過羥基醛縮合反應(yīng)制備了分散 性良好的CDs，并利用CDs在NVO電極表面重構(gòu)碳膜，構(gòu)建了類似SEI膜的結(jié)構(gòu)。預(yù)先實(shí)施的界面工程策略使電解質(zhì)和活性物質(zhì)之間的副反應(yīng)首先發(fā)生在碳膜上，為NVO電極形成了良好的保護(hù)層結(jié)構(gòu)。此外，碳膜解決了釩酸鹽作為鋰離子電池電極材料時(shí)導(dǎo)電性差和溶解的問題，獲得了優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性和循環(huán)穩(wěn)定性。C@NVO-400電極在2 A g−1的電流 密度下循環(huán)1000次后，仍保持315.5 mA h g−1的放電比容量。原位電化學(xué)阻抗譜也表明，C@NVO-400電極表現(xiàn)出較低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，且在循環(huán)過程中阻抗不斷減小，電荷轉(zhuǎn)移速率提高。這一策略為低維碳材料改善釩酸鹽電極的長期循環(huán)性能和高倍率性能開辟了新思路。DOI: https://doi.org/
10.1039/d4dt01162g
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
