用于高性能超级电容器的植酸交联还原氧化石墨烯薄膜的制备

《Materials Science and Engineering: B》：Fabrication of phytic acid cross-linked rGO film for high-performance supercapacitor

【字体：大中小】 时间：2026年09月03日 来源：Materials Science and Engineering: B 3.9

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　　 •植酸交联策略防止石墨烯重新堆叠并引入活性位点。•优化后的薄膜电极比电容达到186 F g?1，在6000次循环后容量保持率为83%。•该薄膜可直接用作电极，无需额外的惰性添加剂。引言超级电容器作为一种新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电能力、优异的循环稳定性和安全性而备

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植酸交联策略防止石墨烯重新堆叠并引入活性位点。
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优化后的薄膜电极比电容达到186 F g^?1，在6000次循环后容量保持率为83%。
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该薄膜可直接用作电极，无需额外的惰性添加剂。

引言

超级电容器作为一种新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电能力、优异的循环稳定性和安全性而备受关注[1], [2], [3]。与传统电池相比，超级电容器可在短时间内完成能量的存储与释放，特别适用于需要瞬时高功率输出的场景，如电动汽车启动、轨道交通的制动能量回收以及可再生能源发电系统的削峰填谷。此外，超级电容器还具有环境友好、使用寿命长、制备简单且成本低廉等优势，在储能领域展现出广阔的应用前景[4], [5]。然而，超级电容器电极的制备通常依赖导电添加剂和粘结剂，活性材料通过涂覆技术固定于集流体上[6]。这种传统方法不仅给电极引入了无效质量和体积，还限制了离子传输效率，并制约了电化学性能的进一步提升。例如，导电添加剂和粘结剂的加入占用了有限的空间体积，降低了电极中活性材料的比例，从而损害了整体能量密度[7]。此外，涂覆工艺可能导致活性材料分布不均，进一步恶化电极的倍率性能和循环稳定性。

为应对上述挑战，石墨烯薄膜电极凭借其独特的结构特性而成为研究热点。石墨烯薄膜具有高强度、柔韧性以及优异的电导率，使其无需额外的导电添加剂或粘结剂即可直接作为自支撑电极使用[8], [9], [10]。这不仅简化了电极制备工艺，还显著提高了电极中活性材料的质量分数和体积利用效率[11]。然而，石墨烯薄膜电极的实际应用仍受到两个主要问题的制约：首先，石墨烯片层之间的“面对面”重新堆叠现象导致有效比表面积减小并阻碍了离子传输通道；其次，原始石墨烯表面缺乏足够的活性位点，仅依靠静电吸附进行离子储存的能力有限，无法满足高容量储能的需求。

针对这些问题，近年来提出了各种改性策略[12], [13], [14]。例如，引入多孔结构、杂原子掺杂或与其它活性材料复合可有效减轻石墨烯重新堆叠并增加活性位点[15], [16], [17]。然而，这些方法往往也带来新的挑战。一方面，虽然多孔结构可增强离子传输动力学，但可能降低石墨烯薄膜的电导率[18], [19]。另一方面，尽管杂原子掺杂可提供额外的活性位点，但过高的掺杂量会导致电导率下降。此外，与无机活性材料复合虽然显著提高了电荷储存容量，但存在粒径较大和导电性较差的问题，从而对薄膜的机械强度和柔韧性产生不利影响[20]。

基于上述背景，本研究提出一种策略，将植酸（PA）同时用作间隔剂和交联剂来制备自支撑rGO薄膜。植酸是一种富含磷酸基团的天然有机小分子，可通过与GO表面含氧官能团之间的化学作用形成稳定的交联网络结构。该方法不仅有效防止了石墨烯片层的自堆叠，还通过引入活性位点增强了赝电容贡献。此外，植酸的小分子特性使其作为间隔剂时薄膜厚度增加极小，从而保持了较高的体积性能。得益于这些优势，优化后的复合薄膜电极表现出高比电容（在1 A g^?1下为186.1 F g^?1）和优异的倍率性能（电流密度增大至5 A g^?1时容量保持率为83%）。

章节片段

氧化石墨烯的制备

采用传统的Hummer法合成氧化石墨烯（GO）。详细实验步骤可参见我们之前的工作[21], [22], [23]。碳纳米管（CNT）溶液的制备也遵循我们之前的报道[24]。

还原氧化石墨烯复合薄膜的制备

将10 mL氧化石墨烯分散液（20 mg，2 mg mL^?1）转移至烧杯中并充分搅拌。随后加入0.3 mL碳纳米管溶液（1 mg mL^?1），在室温下搅拌至均匀。然后加入0.2 mL植酸溶液（70 wt%），随后

rGO电极的设计与表征

图1a展示了植酸交联rGO薄膜的制备过程。具体而言，首先将碳纳米管（CNTs）加入氧化石墨烯分散液中以提高薄膜的电子电导率，随后加入预定量的植酸进行交联。然后通过改进的溶剂蒸发法结合溶剂热还原法制备复合rGO薄膜。在该策略中，植酸不仅作为交联剂，还作为间隔剂，用于

结论

本研究通过引入植酸作为交联剂和间隔剂，成功制备了一种自支撑rGO复合薄膜电极，显著提升了超级电容器的电化学性能。结果表明，植酸不仅有效防止了石墨烯片层的自堆叠，还扩大了层间距以增大离子可及比表面积，同时通过引入丰富的活性位点增强了电容。优化后的

CRediT作者贡献声明

Yali Xu：形式分析。Wentao Qu：形式分析。Minghao Zhang：撰写——初稿。Kaile Yang：方法论。Yongpan Gu：形式分析。Xiang Yu：资金获取。Na Wang：监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（22405075）、河南省科技创新计划（242102240002）以及河南省自然科学基金（262300422383）提供的资金支持。

引言