ZIF-8碳材料复合热还原氧化石墨烯提升电化学电容性能的机制研究

为解决超级电容器电极材料能量密度低和循环稳定性差的问题，研究人员通过原位复合热还原氧化石墨烯(T-rGO)与碳化沸石咪唑酯骨架(CZ-8)，开发出具有优异电容性能的复合材料。实验表明，T-rGO|CZ-8(50:50)在1.0 M KOH电解液中实现215 F·g?1的比电容，对称器件能量密度达4.78 Wh·kg?1。该研究为高性能超级电容器设计提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，开发高效储能设备成为迫切需求。超级电容器(SCs)因其高功率密度和长循环寿命备受关注，但低能量密度和电极材料降解问题制约其发展。石墨烯(rGO)虽具有优异导电性和高比表面积，但片层堆叠现象严重限制其性能。传统采用过渡金属氧化物等间隔材料易导致团聚和电化学浸出，而金属有机框架(MOF)衍生的三维碳材料展现出独特优势。

墨西哥国立自治大学莫雷洛斯校区物理科学研究所(Instituto de Ciencias Físicas, UNAM Campus Morelos)的Thangamani Jayaram Gounder等研究人员在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表研究，系统探讨了碳化沸石咪唑酯骨架(CZ-8)与热还原氧化石墨烯(T-rGO)复合对电化学性能的影响。通过调控两者比例(50:50、75:25、90:10)，发现CZ-8既能防止T-rGO堆叠，又能增强赝电容贡献，实现性能协同提升。

研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)表征材料结构，通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)测试电化学性能。关键发现包括：

1. 材料表征

   XRD显示CZ-8在1000°C碳化后保留菱形十二面体形貌，锌含量可忽略(0.5%)。T-rGO|CZ-8(50:50)复合物中CZ-8颗粒被褶皱石墨烯片均匀包裹，TEM证实其层间距为0.33 nm。拉曼光谱显示复合材料I_D/I_G比值升高(0.89→0.98)，表明缺陷增多有利于电荷存储。

2. 电化学性能

   在1.0 M KOH电解液中，T-rGO|CZ-8(90:10)在0.5 A·g^?1下获得255.3 F·g^?1的最高比电容，而T-rGO|CZ-8(50:50)在高电流密度下表现更优(10 A·g^?1时保持188.5 F·g^?1)。Trasatti分析表明50:50复合物的电容贡献中52.6%来自双电层(EDLC)，47.4%来自赝电容。

3. 机理分析

   EIS证实CZ-8的加入使电荷转移电阻(R_CT)降低，Warburg阻抗(Z_W)增加，表明其促进了电解质离子扩散。CZ-8的高比表面积(866.20 m²·g^?1)和微介孔结构为离子传输提供通道。

4. 器件性能

   组装的对称超级电容器在1.2 V电压窗口下实现4.78 Wh·kg^?1的能量密度，5000次循环后电容保持率>70%，优于多数文献报道的碳基材料。

该研究创新性地阐明了三维CZ-8与二维T-rGO的协同机制：CZ-8既作为物理间隔剂防止石墨烯堆叠，又通过丰富孔结构提升离子扩散效率，同时其表面化学特性增强了赝电容贡献。这种"结构-性能"关系的揭示为设计下一代高性能超级电容器电极提供了重要理论依据，推动MOF/石墨烯复合材料在能源存储领域的实际应用。