超细非晶纳米颗粒因其巨大的比表面积、良好的分散性、短的离子扩散路径、丰富的缺陷位点以及优异的化学稳定性，已成为储能应用领域极具前景的候选材料。本文，韩国首尔大学Moon Jong Han、Yuanzhe Piao、Ju-Hyung Kim等研究人员在《International Journal of Energy Research》期刊发表名为“Ultrafast and Facile Synthesis of Three-Dimensional Graphene-Metal Oxide Aerogels Toward High-Performance Hybrid Supercapacitors”的论文，研究通过一种超快速且环保的微波辅助方法合成了高性能电极材料，该方法能够产生协同电化学效应。将氧化铁和镍-钴氧化物纳米颗粒分别嵌入石墨烯气凝胶（GA）中作为负极和正极，从而形成高性能混合超级电容器（HSC）。
在传统合成中通常最为耗时的热烧结步骤，使用家用微波炉仅需1分钟即可完成。所得的三电极系统在1A/g电流密度下，阳极和阴极的比容量分别达到714.4 C/g和521.4 C/g。组装后的器件展现出0.36 C cm⁻²的面积容量，并在50 mA cm⁻²的电流密度下经过13,000次充放电循环后仍能保持90%的容量。这种超快速且简便的方法实现了嵌入超细非晶态颗粒的宏观多孔GAs的可扩展制备，为下一代高性能储能器件提供了巨大潜力。
图1、(a) Schematic illustration of the preparation of 3D graphene-TMO composites using a household microwave. SEM images of microwave-treated samples: (b, c) GA/Fe and (d, e) GA/NC. All samples were subjected to 60 s of microwave irradiation.
图6、(a) Schematic illustration of the fabricated HSC. (b) CV curves of the device measured in different potential windows at a scan rate of 50 mV s−1. (c) CV curves at scan rates ranging from 10 to 200 mV s−1. (d) GCD profiles of the hybrid supercapacitor at various current densities. (e) Cycling stability and Coulombic efficiency at a current density of 50 mA cm−2, with the inset showing an LED powered by the fabricated device. (f) Nyquist plots recorded before and after 13,000 cycles over a frequency range of 10−2 to 105 Hz, with the inset showing the equivalent circuit used for fitting.
在本研究中，通过一种家用微波辅助方法成功制备了三维石墨烯-TMO复合材料。热烧结步骤通常是传统合成中最耗时的阶段，但在本研究中仅需1分钟即可完成。这种超快且环保的加热过程使得超细非晶态TMO纳米颗粒在宏观多孔的GA骨架内均匀分布。经优化的GA/Fe和GA/NC电极在三电极配置下表现出优异的电化学性能，在1 A/g电流密度下分别展现出714.4和521.4 C/g的比容量。组装而成的GA/Fe||GA/NC高比容量电池展现出0.36 C cm⁻²的高面容量、1.5 V的扩展工作电压以及卓越的长期稳定性，即在13,000次循环后仍保留约90%的初始容量，且库仑效率接近100%。这些卓越性能归因于以下协同效应：
(1) 互联的GA网络实现了高效且均匀的热传导；
(2) 超细纳米颗粒形态带来了大比表面积、高分散度及短离子扩散路径；
(3) 非晶结构带来的丰富缺陷与高化学稳定性。
总体而言，本研究凸显了一种简便且可扩展的3D微波辅助合成策略的有效性，该策略可用于制造基于石墨烯-TMO混合架构的高性能、可持续且低成本的储能器件。
文献：https://doi.org/10.1155/er/4219697
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