南京理工大学《IECR》：OND/石墨烯气凝胶，用于高倍率超级电容器

摘要：提高碳基超级电容器的体积能量/功率密度对于微型电子设备、可穿戴设备和电动汽车等空间受限的应用至关重要。尽管还原氧化石墨烯气凝胶因其高比表面积、优异导电性和可调孔隙率而成为极具前景的电极材料，但传统合成方法在同时实现高密度与多孔结构方面仍面临挑战。本文，南京理工

1成果简介

提高碳基超级电容器的体积能量/功率密度对于微型电子设备、可穿戴设备和电动汽车等空间受限的应用至关重要。尽管还原氧化石墨烯气凝胶因其高比表面积、优异导电性和可调孔隙率而成为极具前景的电极材料，但传统合成方法在同时实现高密度与多孔结构方面仍面临挑战。本文，南京理工大学付永胜教授在《 Ind. Eng. Chem. Res》期刊发表名为“Hydrogen Bonding-Capillary Synergy Enabled Nanoliamond/Graphene Aerogels toward High-Rate Supercapacitors”的论文，研究提出创新性地采用一锅法水热合成结合毛细力致密化技术，制备出致密且多孔的氧功能化纳米金刚石/还原氧化石墨烯（rGO@OND）复合气凝胶。

纳米金刚石刚性的sp3碳骨架形成纳米尺度支柱，有效防止石墨烯重新堆叠。其独特的sp3核心/石墨烯壳结构显著降低了层间接触电阻。扫描电化学显微镜（SECM）测量显示，离子扩散系数从纯rGO的1.81×10⁻³ cm² s⁻¹跃升至rGO@OND-air24的1.13×10⁻² cm² s⁻¹。优化后的rGO@OND-air24电极展现出卓越的体积电容（0.1 A cm–3时达25.1 F cm–3，1.0 A cm–3时达19.9 F cm–3）。采用rGO@OND-air24组装的对称超级电容器实现了突破性性能指标：体积电容达10.12 F cm–3，能量密度达1.406 W h cm–3，且在25,000次循环后仍保持近100%的电容保持率和库仑效率。本研究对特定应用场景设计高密度储能系统开辟了全新路径。

2图文导读

图 1.（a）rGO-air24、（b）rGO@OND-air12、（c）rGO@OND-air24和（d）rGO@OND-air48的SEM图像。

图2.rGO-air24的（a）TEM和（b）HR-TEM图像，（c）rGO@OND-air24的TEM和（d）HR-TEM图像。

图3、GIXD pole figures for the (a) (002) crystal plane and (b) (111) crystal plane of rGO-air24. GIXD pole figures for the (c) (002) crystal plane and (d) (111) crystal plane of rGO@OND-air24. The surface ripples are in the vertical (y-) direction at φ = 90°.

图4. Electrochemical performance of rGO-air24, rGO@OND-air12, rGO@OND-air24 and rGO@OND-air48 in a three-electrode system with 3 M KOH as electrolyte. (a) GCD curves at a current density of 1.0 A cm–3, (b) GCD curves at various current densities of rGO@OND-air24, (c) specific capacitance and (d) Coulombic efficiencies of all samples at different current densities, (e) Nyquist plots and (f) Bode plots.

图5. Electrochemical performance of rGO@OND-air24//rGO@OND-air24 symmetric supercapacitor with 3 M KOH electrolyte at room temperature. (a) CV curves at various scan rates, (b) GCD curves, (c) specific capacitance and (d) Coulombic efficiencies based on (b), (e) Nyquist plot and corresponding simulated circuit and (f) Bode plot, (g) Ragone plot, (h) cycle stability the symmetric supercapacitor device during 25,000 cycles at 0.5 A cm–3.

图6. (a) Schematic diagram of a homemade device for in situ Raman testing of aqueous symmetrical supercapacitors. (b) Voltage-dependent in situ Raman spectra of the rGO@OND-air24//rGO@OND-air24 symmetrical supercapacitor device.

3小结

综上所述，通过一步水热法结合水分蒸发过程中的毛细收缩效应，成功合成了高密度多孔rGO@OND气凝胶。在所得材料中，rGO@OND-air24展现出卓越的电化学性能，在0.1 A cm–3电流密度下达到25.06 F cm–3的比电容，并在0.1–1.0 A cm–3范围内保持79.4%的倍率性能。电化学阻抗谱（EIS）和表面电化学电位法（SECM）测试表明，该复合材料具有优异的离子扩散能力、低界面电阻和电荷转移电阻，以及卓越的动力学性能。原位拉曼光谱技术揭示了rGO@OND-air24在充电过程中的动态变化，未检测到充电反应的中间副产物，充分验证其高效的电双层储能机制。采用rGO@OND-air24作为电极材料组装的对称超级电容器，在0.5 A cm–3电流密度下经25,000次循环后，仍保持近100%的容量保持率和库仑效率，实现10.12 F cm–3的比电容及1.406 W h cm–3的能量密度。本研究通过简便环保的方法成功构建了高密度、高表面利用率的多孔气凝胶材料，为高性能超级电容器的开发提供了新思路。

文献：