石墨烯作为超级电容器的电极材料，具有高比表面积、优异的导电性和强韧的机械性能。然而，其实际应用面临挑战，尤其是石墨烯的团聚问题。范德华力导致石墨烯片层聚集，从而降低表面积和活性位点数量，进而恶化电化学性能。本文，西安交通大学赵斌副研究员、韩晓刚教授、Bin Zhao等在《Energy Fuels》期刊发表名为“In Situ Microwave-Reduced Graphene Oxide Composite Electrodes for Supercapacitors”的论文，研究通过原位微波还原技术，系统优化微波处理参数以实现氧化石墨烯在复合电极中的均匀分散。结合多尺度形态表征与电化学性能分析，建立了由微波处理条件调控的清晰结构-性能关系。
结果表明300 W微波功率配合25秒照射时长构成最佳处理窗口。在此条件下，微波辅助还原过程中原位产生的气体释放诱导氧化石墨烯层结构膨胀，显著提升比表面积（达2185.34 m²·g⁻¹）并增强离子传输动力学。电化学阻抗谱显示电荷转移电阻大幅降低，表明电子导电性获得显著提升。关键在于，原位微波还原过程有效抑制了石墨烯片层的重新堆叠，从而获得卓越的循环稳定性（经10,000次循环后电容保持率达97.35%）和突出的倍率性能。本研究提出了一种创新策略，将原位微波还原与分散优化协同结合，为高性能复合电极材料的设计与制备提供了新思路。
总之，微波辅助处理为制备高性能石墨烯基复合电极提供了一种高效可控的策略，该工艺能降低电阻率并实现氧化石墨烯在电极基体中的更均匀分散。在测试参数中，300 W功率配合25秒照射时间可获得最佳性能，在此条件下碳材料形成分级孔结构，兼具丰富微孔与发达介孔。电化学测试表明，经300 W-25 s处理的样品具有高比电容、显著降低的阻抗及优异的倍率性能。相较于传统混合法，微波处理技术展现出更优异的分散均匀性与循环耐久性。制备的超级电容器经10,000次循环后仍保持97.35%的电容保持率，较传统混合法石墨烯基器件88.21%的保持率实现显著提升。该原位微波还原策略通过实现分散均匀性、导电性增强及结构优化，成功攻克了石墨烯基电极制备的关键难题。本研究揭示了碳材料中微波与物质相互作用的本质机制，为开发高性能复合电极材料开辟了全新路径。
文献：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c03970
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