纳米金刚石-石墨烯复合电极：高性能电化学超级电容器的突破性设计

为解决石墨烯电极稳定性差、循环寿命短等问题，研究人员通过激光诱导sp3 碳整合技术开发了纳米金刚石-石墨烯（D-nG）复合电极。该材料在1.53 mA cm?2 电流密度下实现7.21 mF cm?2 比电容，10,000次循环后容量保持率达98%，能量密度达2.89 mWh cm?2 ，为下一代电化学储能器件提供了稳定高效的解决方案。

　　

在能源技术飞速发展的今天，电化学超级电容器（EC SCs）因其快速充放电特性成为储能领域的研究热点。然而，传统石墨烯电极虽具有优异的导电性，却面临循环稳定性差、工作电位窗口窄等瓶颈问题。金属氧化物和导电聚合物等改性材料又存在毒性、成本高或工艺复杂等缺陷。如何通过材料创新实现高性能与长寿命的平衡，成为制约储能器件发展的关键难题。

针对这一挑战，来自科学和工业研究委员会的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新成果。他们采用两步法激光合成技术，将化学惰性极强的纳米金刚石（D）嵌入纳米毛发状石墨烯（nG）骨架，构建出D-nG复合电极。该材料通过激光诱导在sp²
石墨烯晶界中生成sp³
杂化碳结构，显著提升了电荷传输动力学性能。研究显示，直径0.5 mm的电极在0.18 mW cm^?2
功率密度下实现2.89 mWh cm^?2
的能量密度，1 cm²
对称软包电池更展现出1.09 mWh cm^?2
的最大能量密度，突破了石墨烯基材料的性能极限。

关键技术方法
研究采用CO₂
激光辐照聚酰亚胺（PI）薄膜制备石墨烯纳米毛，通过优化激光功率（30 W）和扫描速度（300 mm s^?1
）控制材料形貌；利用透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征纳米金刚石与石墨烯的界面结合；通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）测试电化学性能；采用电化学阻抗谱（EIS）分析电荷转移机制。

研究结果

1. 材料表征：TEM显示金刚石纳米颗粒以球形聚集态锚定在石墨烯纳米毛边缘，XPS证实sp³
   /sp²
   碳比例优化至1:2.3，拉曼光谱中1345 cm^?1
   （D带）与1580 cm^?1
   （G带）强度比表明结构缺陷促进电荷存储。
2. 电化学性能：在1 M H₂
   SO₄
   电解液中，D-nG电极的电荷转移电阻（R_ct
   ）比纯nG降低47%，0.5 A g^?1
   电流密度下质量比电容达312 F g^?1
   。
3. 器件测试：对称软包电池在0.3 mA cm^?2
   下保持1.97 mF cm^?2
   比电容，功率密度提升至0.12 mW cm^?2
   时仍保持90%能量效率。

结论与意义
该研究通过创新性地融合金刚石的化学稳定性与石墨烯的高导电性，解决了碳基电极材料耐久性差的行业痛点。激光诱导界面工程策略为调控碳材料杂化态提供了新思路，其简易、可放大的合成工艺更具备产业化潜力。这项工作不仅推动了超级电容器材料设计理论的发展，也为新能源汽车、便携式电子设备等领域的储能技术升级提供了切实可行的解决方案。