氧化石墨烯改性间苯二酚-甲醛碳气凝胶：吸附与储能性能的协同增强

《Chemical Engineering Research and Design》：Graphene Oxide Modified Resorcinol-Formaldehyde Carbon Aerogels: Synergistic Enhancement of Adsorption and Energy Storage Performance

　　

• •
  描述了氧化石墨烯（GO）/间苯二酚-甲醛（RF）碳的合成机制
• •
  GO协同增强RF的吸附和储能性能
• •
  碱活化GO/RF复合材料对染料表现出优异的吸附容量
• •
  GO显著提升了RF电极的循环和倍率性能

引言

间苯二酚（R）和甲醛（F）基气凝胶的出现开启了碳基材料应用于有机废水处理的新阶段（Lei等，2017；Shaban等，2017；Briao等，2017；Liu等，2015）。碱活化的R-F材料具有较大的比表面积，在吸附污染物方面表现出显著的效率。这包括来自纺织、食品加工、染色、化妆品、皮革生产和制药等行业排放的难降解染料——这些污染物已知会导致严重的健康问题，如对人体及其他生物的视力损害、中毒、致癌和神经系统疾病（Yu等，2017；Ling等，2011；Heimb?ckel等，2018）。

众所周知，多孔材料的吸附性能主要由其微结构特征决定。通常，微孔和小中孔提供充足的物理吸附表面积并容纳化学吸附活性位点，而大孔和较大中孔则增强吸附质的传输和扩散（Lu等，2023）。因此，吸附剂的整体吸附效率从根本上取决于从微孔到大孔的多尺度孔架构，需要具备明确的分级多孔结构（Zhang等，2019；Wu等，2006；Fechler等，2013）。不幸的是，目前的技术在精确控制RF基碳的微结构方面仍有不足，从而阻碍了具有定制分级孔隙率材料的可靠制备（Lu等，2023；Milojkovic等，2014）。尽管模板辅助策略被认为是获得定制微结构的最可行途径之一，但合成后模板难以完全去除的问题往往会损害所得RF碳的吸附性能，同时增加生产成本（Li等，2022）。

在现代环境应用中，二维氧化石墨烯（GO）已成为一种高效的废水净化吸附剂，具有优良的理化性质、较大的比表面积和丰富的含氧官能团（Novoselov等，2004；Liu和Qiu，2020）。此外，纳米片状的GO构建单元可在水热过程中自组装成具有可控结构的宏观材料（Shimizu等，2022；Zhao等，2018；Akartuna等，2008）。因此，将GO引入RF前驱体溶液正被探索作为一种调节水凝胶形成的手段，从而实现对所得碳结构的更精确调控。类似地，进一步的KOH活化可通过创造额外的微孔和中孔来调节所得碳材料的微结构。

鉴于其与废水处理过程的平行吸附机制，多孔RF碳材料已成为储能应用的有前景候选材料，被定位为锂离子电池（LIBs）阳极活性材料的优秀选择（Zhou等，2021；Zhang等，2017；Zhang等，2018；Lv等，2015）。多孔架构可缩短锂储存过程中的离子传输路径，而较大的比表面积提供了充足的电极/电解质界面以支持高效的Li⁺插层（Han等，2016）。然而，异常高的比表面积呈现出双重效应：虽然它增强了对染料分子的捕获能力，但也促进了储能过程中固态电解质界面（SEI）的过度形成（Li等，2019）。这一过程降低了材料的库仑效率，并对其整体储能性能产生不利影响（Alex等，2017；Zheng等，2019）。从这个角度来看，表现出优异水处理能力的材料似乎不适合作为电极材料。从机理上讲，这两个过程都依赖于丰富的多孔表面积和缺陷位点，但对多孔架构有不同的要求——本文系统性地探讨了这一权衡关系。

尽管已有几项研究报告了GO改性的RF碳气凝胶，但据我们所知，尚无研究在同一材料平台上系统比较GO用量对吸附和锂存储性能的影响。在本工作中，开发了一种简便有效的GO/RF复合材料合成路线。对所得材料进行了系统的储能和吸附性能评估。此外，对GO/RF杂化物进行了KOH活化，并通过染料间歇实验对其吸附行为进行了全面评估。结果表明，GO的引入有效地修饰了RF材料，使其能够在双重角色——水净化和电化学储能——中高效发挥作用。这种协同增强为RF基材料的多功能应用奠定了基础。

章节摘要

材料

石墨粉（325目）、间苯二酚（R，99%）和甲醛（F，37%）购自麦克林试剂公司。亚甲基蓝（MB，98%）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP，98%）、碳酸钠（Na₂CO₃，99.8%）和氢氧化钾（KOH，AR，85%）购自国药集团化学试剂有限公司。上述所有化学试剂均直接使用，未进行进一步纯化。

样品制备

在本研究中，通过溶胶-凝胶法合成GO/RF气凝胶

RGA的结构演变与形貌特征

通常来说，RF树脂的形成过程如下：首先，F和R分子在混合溶液中通过亲电取代反应形成羟甲基。随后，羟甲基之间发生脱水缩合反应，形成初级畴或簇，生成亚甲基（-CH₂-）和亚甲基醚（-CH₂OCH₂-）桥（Zhang等，2016）。随着时间推移，初级畴之间相互交联，最终形成

结论

在本研究中，通过溶胶-凝胶法结合高温碳化合成了一系列GO/RF复合碳气凝胶，部分样品进一步经过KOH活化修饰。GO的引入被认为可以调节RF碳的溶胶-凝胶反应和微结构，可能是通过改变溶液pH值并结合R或F分子，形成GO纳米片与RF衍生碳的三维互连网络。随后的KOH活化生成分级

CRediT作者贡献声明

张济鸿：原创草稿撰写，方法论。张永亮：调查研究。王瑞贤：审稿与编辑。张巧牧：原创草稿撰写，项目管理，数据整理。吴超：数据整理。赵彦锋：监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的利益冲突或个人关系，这些可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作部分由风能太阳能利用技术重点实验室开放基金项目（2024KF03）和内蒙古自治区自然科学基金项目（2025LHMS05005）资助。

利益冲突

不存在利益冲突需要声明。

张巧牧|王瑞贤|赵彦锋|吴超|张永亮|张济鸿