石墨烯基电极材料的电子结构、合成策略与性能研究及其在超级电容器中的应用进展

【编辑推荐】为应对化石能源枯竭与环境污染问题，研究人员系统综述了石墨烯基电极材料在超级电容器中的应用，聚焦其sp2 杂化结构赋予的高电子迁移率（100000 cm2 V?1 s?1 ）和超大比表面积（2630 m2 g-1 ），通过CVD、机械剥离等合成策略优化性能，并与TMDs、MXenes等材料复合提升比电容（达922 Fg?1 ），为下一代柔性储能器件开发提供理论指导与实践方案。

　　

随着全球化石能源枯竭与环境恶化，开发高效可持续的储能技术成为当务之急。超级电容器（SCs）因其高功率密度和循环稳定性被视为理想候选，但其能量密度和电极材料性能仍有局限。石墨烯凭借单原子层sp²
杂化碳结构的独特性质——包括超高载流子迁移率（100000 cm²
V^?1
s^?1
）、理论比表面积（2630 m²
g^-1
）和机械强度（2.4±0.4 TPa），成为突破性电极材料。然而，石墨烯易因π-π堆叠导致活性位点减少，且纯碳材料存在能量密度低的缺陷。为此，印度科学和工业研究委员会（CSIR）资助的研究团队Sachin Kumar Yadav等人系统分析了石墨烯基复合电极的优化策略，成果发表于《Progress in Solid State Chemistry》。

研究采用文献计量学与实验数据整合方法，重点考察化学气相沉积（CVD）、机械剥离、化学还原等合成技术对材料性能的影响，并通过复合金属氧化物（如CoFe₂
O₄
）、导电聚合物（如聚苯胺PANI）等材料构建协同效应。

原子与电子结构
石墨烯的狄拉克锥能带结构使其呈现零带隙半导体特性，通过掺杂（如氮、硫共掺）可打开带隙至0.45 eV，显著提升电极氧化还原活性。

性能优化
将石墨烯与TMDs（如MoS₂
）复合后，比电容提升至922 Fg^?1
（1 A g^?1
），循环10,000次后容量保持率达87%。MXenes的引入进一步改善离子扩散动力学，使功率密度达18 kW kg^?1
。

工业挑战
研究指出大规模生产中的成本控制（CVD法能耗高）和电极降解（如δ-MnO₂
在循环中相变）仍是瓶颈，建议采用固态碳源沉积等绿色工艺。

该研究为石墨烯基柔性超级电容器的设计提供了三重指导：电子结构调控增强电荷转移、多孔结构设计优化离子通路、复合材料选择平衡电容与稳定性。特别是提出的"覆盆子状"ZnS@rGO@PANI三级结构，通过多重活性位点实现349.7 Wh kg^?1
的能量密度，为可穿戴设备电源开发树立了新标杆。未来需在原子级缺陷工程和规模化生产技术上持续突破，以推动该技术从实验室走向产业化。