综述：石墨烯及其衍生物在超级电容器中的应用：综述性比较研究

《Materials Advances》：Graphene and its derivatives in supercapacitors: a comparative review

石墨烯及其衍生物在超级电容器中的应用研究进展，重点探讨掺杂、复合过渡金属二硫属化物（TMDs）和金属氧化物（MOs）等改性策略对提升电容性能、循环稳定性和能量密度的机制。分析多孔结构设计、电解液优化及规模化生产挑战，提出未来需结合纳米架构调控与先进制备技术以实现商业化应用。

　　近年来，随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，高效、可靠、环保的储能系统成为研究的重点。在众多储能技术中，超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力和长寿命而受到广泛关注。超级电容器的应用范围涵盖了从电动汽车到便携式电子设备，再到备用电源系统等多个领域。然而，超级电容器的实际性能仍然受到多种因素的限制，其中电极材料的选择和优化是关键。因此，研究人员不断探索新的电极材料和改性方法，以提升超级电容器的性能。

在众多电极材料中，石墨烯及其衍生物因其独特的物理化学特性，成为超级电容器研究的热点。石墨烯具有极高的比表面积、优异的导电性、良好的热稳定性和机械强度，这些特性使其在超级电容器中展现出巨大潜力。然而，纯石墨烯在实际应用中面临一些挑战，如石墨烯片层的重叠会导致导电性和表面积的降低，进而影响其电容性能。此外，石墨烯的零带隙特性和疏水性也限制了其与电解质的相互作用，降低了其电化学活性。因此，研究人员通过多种方法对石墨烯进行改性，以克服这些限制并提升其性能。

石墨烯的改性方法包括掺杂、复合材料的构建以及电解质的选择等。掺杂是提高石墨烯电化学性能的一种有效手段。通过引入氮、磷、硼等异质原子，可以生成额外的电化学活性位点，从而增强其导电性和电容性能。例如，氮掺杂石墨烯在超级电容器中表现出更高的比电容，这归因于氮原子在石墨烯晶格中的引入，改变了电子分布和自旋密度，形成了所谓的“激活区域”，从而提升了其电化学活性。此外，磷和硼的掺杂也可以显著改善石墨烯的电化学性能，提高其比电容和能量密度。

除了掺杂，石墨烯与其他材料的复合也是提升其性能的重要策略。过渡金属二硫化物（TMDs）和金属氧化物（MOs）的引入可以显著增强石墨烯的电容性能。TMDs具有良好的电化学活性和可逆的氧化还原反应，能够提供额外的伪电容。而MOs则通过其丰富的氧化还原活性位点，提升电荷存储能力。例如，将MoS?与石墨烯复合，可以有效提高其比电容，同时减少石墨烯片层的重叠，从而增强整体结构的稳定性。同样，将金属氧化物如Fe?O?、SnO?、CuO等与石墨烯复合，能够提升其电化学性能，实现更高的能量密度和功率密度。

此外，构建具有分级多孔结构的复合材料也是提升超级电容器性能的重要方向。分级多孔结构能够提供更多的离子扩散通道，提高离子传输效率，从而改善电容性能和循环稳定性。例如，研究发现，具有特定孔径的多孔石墨烯能够有效促进电解质离子的扩散，提高其比电容。同时，纳米颗粒与石墨烯的复合能够进一步优化其电化学性能，通过引入额外的活性位点和提升导电性，实现更高效的电荷存储和传输。

电解质的选择对超级电容器的性能同样至关重要。不同的电解质可以显著影响超级电容器的电化学窗口、离子传输能力和安全性。水系电解质因其成本低、环保性好而被广泛研究，但其电化学窗口较窄，限制了能量密度的提升。相比之下，有机电解质能够提供更宽的电化学窗口，从而提升能量密度。然而，有机电解质的离子导电性较低，且存在较高的成本和安全性问题。因此，研究人员正在探索新型电解质，如离子液体和聚合物电解质，以克服传统电解质的局限性。

离子液体作为一种新型电解质，具有低可燃性、高离子导电性和优异的化学稳定性。离子液体能够支持更宽的电化学窗口，从而提升超级电容器的能量密度。然而，离子液体的制备和使用仍然面临一些挑战，如如何在不同温度下保持高离子导电性和宽电化学窗口。聚合物电解质则因其良好的机械性能和安全性而受到关注，但其离子导电性仍需进一步优化。

尽管石墨烯及其复合材料在超级电容器领域展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，石墨烯的大规模生产仍需更高效、低成本的方法。其次，如何确保石墨烯复合材料在长期使用中的稳定性和耐用性，是实现其商业化的重要前提。此外，如何优化电极材料的结构和性能，以满足不同应用场景的需求，也是当前研究的重点。

未来，超级电容器的发展方向将更加多元化。研究人员正在探索新的材料体系和结构设计，以提升其能量密度和功率密度。例如，通过构建三维多孔结构、引入新型复合材料以及优化电解质体系，有望实现更高效的能量存储和快速充放电。同时，人工智能和机器学习等技术的引入，也为超级电容器材料的设计和优化提供了新的思路。这些技术能够帮助研究人员更快速地筛选和优化材料，预测其性能，并减少实验成本。

总之，石墨烯及其复合材料在超级电容器领域展现出巨大的应用前景。通过不断改进材料的合成方法、优化其结构设计以及探索新型电解质，研究人员有望克服当前的挑战，推动超级电容器技术的进一步发展。未来，随着技术的不断进步，超级电容器有望在新能源领域发挥更重要的作用，为实现可持续能源目标提供有力支持。