石墨烯基超级电容器研究进展-第4页-北极星输配电网

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除了避免石墨烯材料的堆叠外，要制备高性能石墨烯基超级电容器，如何实现孔隙率高、致密性好、有效比表面积大和离子迁移电阻低是另一关键问题。Wang 等制备了兼具多孔分层结构、高导电性的内在网络和杂环原子掺杂的石墨烯电极，在80 A/g 的电流密度下，其能量密度达322 W˙h/kg，功率密度达116 kW/kg，充放电循环3000 次后几乎没有递减。Luan 等通过石墨烯与乙二胺联氨还原形成了电导率高、比表面积大和3D 结构稳定的氧化石墨烯气凝胶，该气凝胶电导率达到1351 S/m，比表面积为745 m2/g，断裂强度达到10.3 MPa，比电容达到232 F/g。

2 石墨烯基法拉第准电容器

石墨烯虽然可以单独作为超级电容器电极材料，但其理论比容量仅有329 F/g，限制了该材料的大规模应用。如何既利用石墨烯优异的性能又突破石墨烯的理论比容量是石墨烯基电极材料的应用难题。通过对石墨烯进行官能团修饰改性以及制备石墨烯基复合电极材料，构建法拉第准电容器已经成为该领域研究热点之一。

2.1 官能团修饰石墨烯基电极

Khanra 等在含有9-蒽羧酸的溶液中通过电化学脱离的方法一步制备了蒽羧酸修饰的石墨烯，由于蒽羧酸官能团的赝电容特性，蒽羧酸修饰石墨烯作为超级电容器电极材料时，在1mol/L 的H2SO4溶液中其最大比容量达到577 F/g，经过1000 次充放电后，比容量保持率为83.4%。Ghosh 等制备了1-芘羧酸修饰的石墨烯，在6 mol/L 的KOH 水溶液中，其比电容达到200 F/g，远大于没有修饰的石墨烯比电容(30 F/g)。通过苯并唑和苯并咪唑接枝的石墨烯，在石墨烯的官能团反应中引入了环状反应，有效地缓解了石墨烯片的堆叠反应，所制得的修饰石墨烯呈现皱状和卷曲状形貌，当作为超级电容器电极时，以1 mol/L 的H2SO4 水溶液为电解质，在0.1 A/g 的电流密度下，苯并唑修饰石墨烯比电容达到730 F/g，苯并咪唑修饰石墨烯比电容达到781 F/g。

氮掺杂石墨烯对其电容性能也有很大的提升。利用尿素作为氮源，通过微波法合成了高氮含量的氧化石墨烯，其氮含量达到18%。作为电容器电极材料时，表现出优异的电化学性能，在6 mol/L的KOH 水溶液中，比容量最高达到461 F/g。但氮掺杂引起的比容量的增加机理仍有待进一步研究。

2.2 导电聚合物/石墨烯复合电极

导电聚合物是一类赝电容电极材料，其容量远大于基于双电层储能机理的碳材料超级电容器。因此，石墨烯材料与导电聚合物形成的复合材料能够兼顾石墨烯的高比表面积、高电导率和导电聚合物的高比容量，在构建法拉第赝电容器中具有重要的作用。

常见的导电聚合物电极材料为聚吡咯和聚苯胺，如何通过简单的步骤制备它们与石墨烯的复合材料，并使其具有优异的电容性能是该方面研究的重点。Qian 等通过静电相互作用和π—π 堆积作用的原理合成了核壳结构的聚吡咯/还原氧化石墨烯复合材料，该材料具有大的比表面积和优异的导电性，当还原氧化石墨烯与聚吡咯的质量比为1︰1 时，该核壳结构复合材料在1mol/L KCl 水溶液中作为电容器电极材料时具有优异的循环性能，在0.5 A/g 的电流密度下，比容量达到了557 F/g，最高的功率密度和能量密度分别达到了0.22 kW/kg和49.5 W˙h/kg。Liu 等制备了聚吡咯/石墨烯片复合材料，以2 mol/L 的H2SO4 水溶液作为电解质，在0.3 A/g 电流密度下，其比容量达到400 F/g。Mao等在含有四丁基氢氧化铵或十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂的溶液中原位聚合合成了石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合材料(图5)，在2 mol/L 的H2SO4 水溶液电解液中以0.2 A/g 电流密度充放电下，其最大比容量达526 F/g。

采用类似的方法，在溴化十六烷基三甲铵作为表面活性剂的溶液中制备了石墨烯/聚吡咯纳米线复合材料，在1 mol/L 的H2SO4 水溶液电解液中以0.2 A/g 电流密度充放电下，其最大比容量达到492 F/g。Cong 等制备了大面积的石墨烯/聚苯胺复合纸，该复合纸质量轻(0.2 g/cm)，电导率高(15Ω/sq)，且具有很好的柔韧性，可加工成不同形状和大小的电极，作为超级电容器的电极时，在1mol/L 的H2SO4 水溶液中，1 A/g 电流密度下，其比容量达到763 F/g，对发展柔韧性强的超级电容器具有重要意义。Lai 等系统研究了不同官能团修饰的石墨烯与聚苯胺复合材料的电化学性能，比较了氧化石墨烯、化学还原氧化石墨烯、氮掺杂的还原氧化石墨烯和胺修饰的还原氧化石墨烯的电化学性能，以及它们与聚苯胺(质量分数为9%)形成复合材料的电化学性能。结果表明，胺修饰的还原氧化石墨烯/聚苯胺具有最大的比电容，达到500F/g，且循环性能稳定，充放电循环680 次后容量没有递减。Jaidev 等制备了聚对苯二胺/石墨烯复合材料，当聚合物与石墨烯的质量比为1︰2 时，其比容量最高，在2 A/g 的电流密度下达到248 F/g，其最大能量密度可达8.6 W˙h/kg，该材料结构比较稳定，在10 A/g 的电流密度下，1000 次充放电循环后，容量保持率仍为72%。

原标题：石墨烯基超级电容器研究进展

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