浙理工《ChemSusChem》：共价交联石墨烯电极材料，用于高性能超级电容器

通过合理的结构设计开发基于石墨烯的高性能电极材料，仍是先进超级电容器面临的一项关键挑战。本文，浙江理工大学 赵福刚 副教授、张凯 副教授等在《ChemSusChem》期刊发表题为“Rational Design for Crosslinked and Pried-Open Redox-Active Graphene Electrode Materials and High-Performance Supercapacitors”的论文，研究筛选出一种具有四个羰基和共轭主链的独特分子（DAPTO），并通过一步水热法将其成功引入还原氧化石墨烯（rGO）片层中。该策略有效抑制了rGO的重新堆叠，同时提供了丰富的赝电容活性位点。

结构和形态表征证实了DAPTO的成功接枝，并形成了具有增大层间距的稳定层状结构。通过优化反应质量比，确定了最佳样品DAPTO–rGO–1，该样品在三电极体系中展现出680 F g−1的高比电容，同时具有优异的倍率性能和较低的电荷转移电阻。此外，采用PVA/H₂SO₄凝胶电解质组装的柔性对称超级电容器展现出295 F g−1的高比电容和出色的倍率性能。该器件在800 W kg−1的功率密度下，还实现了26.2 Wh kg−1的高能量密度。本研究为先进石墨烯基电极的设计提供了宝贵的见解。

图1、Schematic illustration of the synthesis and covalent crosslinking structure of the DAPTO-rGO series.

在本研究中，通过一步水热法成功将DAPTO分子引入rGO片层之间，实现了共价接枝和交联。结构表征证实了DAPTO的有效掺入及其在调控石墨烯结构中的作用。优化的DAPTO–rGO–1电极展现出680 F g−1的高比电容，同时具有优异的倍率性能和较低的电荷转移电阻。动力学分析揭示了一种由电容贡献和扩散控制贡献主导的协同电荷存储机制，确保了快速的电化学动力学。采用PVA/H₂SO₄凝胶电解质组装的柔性对称超级电容器展现出295 F g−1的高比电容、良好的倍率性能以及优异的循环稳定性（10,000次循环后保持率达79.9%）。此外，该超级电容器在800 W kg⁻¹功率下可实现26.2 Wh kg⁻¹的能量密度，并在16,000 W kg⁻¹功率下仍能保持21.8 Wh kg⁻¹的能量密度。本研究为设计高性能石墨烯基超级电容器电极提供了一种有效策略。

文献：https://doi.org/10.1002/cssc.70989