1、技术领域概述

石墨烯具有优异的导电性、超高比表面积（理论比表面积2630 m² g^-1）及宽电化学窗口等特点，近年来其在超级电容器电极材料领域的应用已得到国内外学者的广泛研究。然而，理论研究和实际应用中发现，石墨烯在制备过程中容易发生堆叠，降低了石墨烯材料的有效比表面积和电导率，严重影响了石墨烯基电极材料在电解液中的可浸润性；同时，石墨烯片层边缘的悬键具有高活性（不稳定性），如用作电极材料，电容器的性能将逐渐衰退。如何既利用石墨烯优异的性能又突破石墨烯在超级电容器电极材料应用中的限制，是研发高能量密度和高功率密度石墨烯基超级电容器亟需解决的关键技术难题。本系列研究主要从石墨烯电极材料的组分、结构改性和复合方面出发，研制出性能兼具高能量密度、高功率密度和循环寿命长的石墨烯基超级电容器。

2、取得的主要研究成果及形成的主要产品/技术

（1）经高温热解法成功制备了高掺杂量的硼掺杂石墨烯，对其电化学性能研究发现，它成功克服了单纯石墨烯比电容比较低的缺点，大大提高了比电容，并且有效改善了石墨烯的倍率性能，充分证明了杂原子掺杂是改进石墨烯电容性能的一种有效方法。

（2）通过静电吸附-真空抽滤技术制备了具有韧性的石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合薄膜，所制备的复合材料中聚苯胺纳米纤维由原先的缠绕状态变为了由石墨烯包覆的结构，证明石墨烯和聚苯胺实现了完美的复合，电化学测试发现复合电极材料具有很高的比电容，远高于纯的石墨烯薄膜。

（3）为了解决粘结剂对电极整体的导电性，以及电极的电化学电容性能造成的影响，进行了一些有意义的工作。其一，解决通过原位沉积MnO₂、抽滤和热处理等过程成功制备了无支撑、柔性的石墨烯纳米片（GS）/ MnO₂复合“纸”状柔性电极材料，避免了粘结剂和导电剂的使用。所制备的GS/MnO₂复合材料“纸”具有良好的电化学性能。其二，以MnO₂纳米片和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）-石墨烯纳米片（GS）为结构构筑单元，以聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）为连接剂，采用静电层层自组装技术在导电基底上成功制备了(PDDA/PSS-GS/PDDA/MnO₂)_n多层复合薄膜。所制备的多层复合薄膜可直接作为超级电容器电极材料使用，避免了粘结剂的使用。对制备薄膜电极的电化学电容性能研究发现，该材料是一种潜在的超级电容器电极材料。

（4）成功制备了rGO/CMOF-5复合材料并用于超级电容器电极材料。结构与形貌的分析结果证实，复合材料呈现出夹层型的结构，由外层的多孔碳与内部的石墨烯组成；电化学测试结果显示，复合材料的比电容和倍率性能显著提升。另外，分别合成了Ni-MOF/CNTs和rGO/C₃N₄复合材料，并组装了非对称超级电容器，电化学性能测试结果显示，组装电容器具有优异的能量密度、功率密度和循环寿命，电流密度0.5A g^-1时，比电容为103 F g^-1，最大输出能量密度可达36.6 Wh kg^-1，功率密度可达到19200 W kg^-1。

3、应用情况/应用前景

目前应用于超级电容器的材料主要有碳基材料、金属氧（氢氧）化物材料和导电聚合物材料三种。其中，碳基材料又是研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料，也是迄今工业化最为成功的电极材料。石墨烯基超级电容器又是低碳经济核心产品。无论是从能源和环境问题方面，还是从国内市场需求方面，亦或是从增强国内超级电容器生产企业的生存竞争力方面来说，开发具有自主知识产权的高性能石墨烯基超级电容器器件，具有非常重要的实用价值和经济效益。

4、获奖/专利情况