成果简介
石墨烯气凝胶因其高比表面积、可调孔隙率和高导电性而备受青睐，是超级电容器电极的理想候选材料。为进一步提升其性能，氮、硼、硫和磷掺杂技术被广泛应用。本文，伊朗阿米尔卡比尔技术大学MajidAbdouss等研究人员在《Journal of Energy Storage》期刊发表名为“Heteroatom-doped graphene aerogel supercapacitors: Current status and future perspectives: Mini review”的综述，综述了这些掺杂石墨烯气凝胶的合成方法、表征技术及其超级电容器性能表现。异原子掺杂石墨烯气凝胶的比电容值通常在200至3000 F g⁻¹之间，具体取决于掺杂剂类型和合成方法；对应的能量密度则约为20至45 Wh kg⁻¹。本文探讨了不同掺杂方法如何影响石墨烯基气凝胶（GAs）的比表面积、孔径、电导率及稳定性。深入研究了掺杂气凝胶的结构特性如何影响其在超级电容器中的性能表现。最后，本综述重点指出关键挑战，并为未来研究指明潜在方向。
图文导读
2.1 摻杂在石墨烯气凝胶中的作用
三维石墨烯网络（3DGNs）作为电化学材料的有前景表现，源于电解质离子的短扩散路径、快速电子传递，以及作为利用伪电容材料构建复合材料的有效框架，这些材料具有协同效应。图1展示了每年发表关于杂原子掺杂石墨烯气凝胶的超级电容器论文数量图表。
图1.关于用于超级电容器的杂原子掺杂石墨烯气凝胶，关于年份发表的论文。
2.2 合成与生产方法
掺杂为石墨烯材料添加特定官能团提供了一种有效方法，方法包括化学或物理过程。虽然掺杂会在材料中产生缺陷，但最终通过表面改性提升性能。石墨烯的电化学性能可以通过孔掺杂（通过阳极电位实现）或电掺杂（通过阴极势实现）来调节。尽管石墨烯掺杂复杂，成功实施后能够微调材料的能带结构。这些掺杂剂作为石墨烯结构中的固有杂质，增强其电容性、电催化和电化学性能。纯石墨烯是一种没有带隙的半导体，其特征是其费米能级精确位于能带结构中的狄拉克点。通过引入掺杂物，费米能级可以向下移（p型掺杂）或上移（n型掺杂）。这种受控移位在价带和导带之间形成可调节的带隙（图2）
图2. Illustration of the energy diagram of (a) p-type doped graphene and expanded work function (b) n-type doped graphene and reduced work function. Reproduced under the terms of the Creative Commons Attribution (CC-BY) license from Ref。
小结
精确控制掺杂剂在石墨烯中的添加位置、剂量及类型仍是重大挑战。掺杂不均会导致性能问题并降低材料稳定性。未来研究需聚焦原子层沉积或等离子体处理等更优掺杂方法以提升可控性，同时需深入理解不同掺杂剂（氮、硼、硫、磷）对石墨烯特性的影响机制。运用先进技术和计算机模型将助力我们深入探索并设计更优掺杂策略。掺杂石墨烯气凝胶（GA）超级电容器虽初始性能优异，但长期稳定性往往欠佳。这种性能衰减可能源于掺杂剂流失或结构变化，亟待深入研究。未来研究需着力延长电极寿命，可考虑采用表面处理或保护涂层等手段。此外，石墨烯气凝胶本身强度较弱，在制造和使用过程中易受损。增强其强度和耐久性是实现稳定长效超级电容器的关键。在石墨烯框架中引入碳纳米管（CNTs）、导电聚合物或金属氧化物等柔性或增强组分，可在不影响电导率的前提下显著提升其机械强度和弹性。通过化学或热处理对石墨烯片进行交联，亦可提升结构稳定性，防止网络在反复充放电过程中坍塌。当前掺杂石墨烯气凝胶的合成方法复杂昂贵，难以实现大规模量产。简化合成工艺、采用低温或一锅法工艺、优化前驱体配方，可提高可重复性并实现大规模生产，使这些材料更具工业应用可行性。未来研究应聚焦开发更简便、经济且环保的合成路径，例如采用生物衍生前驱体或优化现有方法实现大规模生产。以生物质为原料的石墨烯前驱体（如纤维素、木质素、壳聚糖及其他富碳天然材料）为传统化学原料提供了环保且经济高效的替代方案。这些生物基材料不仅能降低生产过程的整体碳足迹，还能在碳化过程中自然引入氮、硫或磷等杂原子。
文献：https://doi.org/10.1016/j.est.2026.120596
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
