超级电容器复合电极材料Ni_OH_2_石墨烯的研究进展_张秦怡

基于氧化石墨烯的超级电容器的制备和应用研究随着科技的进步，电子产品的需求在不断增长。

为了应对这一需求，电池和超级电容器的研究变得越来越重要。

超级电容器是一种新型的存储能量设备，与传统的电池相比，超级电容器拥有极高的能量密度、长寿命、快速充放电等优势。

因此，其在电子、交通、航空航天等领域有着广泛的应用前景。

而基于氧化石墨烯的超级电容器具有极大的发展潜力，以下将介绍其制备和应用研究的最新进展。

一、氧化石墨烯的制备氧化石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料，化学式为C（O）OH。

氧化石墨烯的制备方法有多种，其中常用的方法包括化学氧化法、热氧化法、电化学氧化法等。

化学氧化法是目前较为常用的制备方法。

通常将石墨粉末与混合酸（硝酸和硫酸）混合，经过氧化反应后，用水洗涤和干燥即可。

热氧化法则通过将石墨粉末加热至高温下，通过氧化反应制备氧化石墨烯材料。

这种方法制备出的氧化石墨烯具有较高的热稳定性和晶体品质，但是制备难度较大，成本较高。

电化学氧化法则是通过电化学反应制备氧化石墨烯材料。

这种方法可以使石墨表面的氧化程度更加均匀，制备出的氧化石墨烯具有良好的电化学性能。

二、基于氧化石墨烯的超级电容器的研究进展基于氧化石墨烯的超级电容器研究起步较晚，但是得到了长足的发展。

氧化石墨烯的独特结构和性质使得基于其材料制备的超级电容器具有优异的性能，例如：高能量密度、高功率密度、长寿命等特点。

1. 氧化石墨烯/聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料氧化石墨烯/聚对苯二甲酸丁二醇酯（PVB）复合材料是目前研究较为成熟的氧化石墨烯超级电容器材料。

这种材料的优点在于氧化石墨烯的导电性和PVB的柔软性、韧性结合在了一起，既能够提高超级电容器的能量密度，又能有效延长电容器的使用寿命。

2. 氧化石墨烯/多孔碳材料复合材料氧化石墨烯/多孔碳材料复合材料也是一种目前研究较为活跃的氧化石墨烯超级电容器材料。

通过将氧化石墨烯与多孔碳材料结合，能够有效提高超级电容器的能量密度和功率密度，并且提高超级电容器的使用寿命。

石墨烯研究进展及其应用现状王浩【摘要】作为一种新材料,石墨烯具有独特的物理结构特点和优异的应用性能,近年来石墨烯的应用研究占据重要的地位.综述了目前的研究现状和应用现状:综合分析其应用领域,由此分析石墨烯的综合价值和发展潜力,并根据石墨烯被确认的物理化学特性深入探讨其研究价值.【期刊名称】《精细石油化工进展》【年(卷),期】2018(019)005【总页数】4页(P51-54)【关键词】石墨烯;物理化学特性;应用;研究进展【作者】王浩【作者单位】西南石油大学材料科学与工程学院,成都610500【正文语种】中文近年来，石墨烯应用成果频频。

随着石墨烯应用的深入研究，石墨烯的物理化学特性也被进一步挖掘出来。

而前人的文章中也指出，关于石墨烯的研究成果，就关于它的文献数量来看，可以说是每天递增[1]。

而石墨烯本身，除了导电性、比表面积大等优越性能之外，更是因其原子级别的独特结构特性具有着量子性质的应用特性，如量子霍尔效应，使得其在导电性能微观层面上的表现更为独特。

本文通过对石墨烯的研究进展和应用成果的介绍，深入分析石墨烯的应用价值和应用前景，对石墨烯目前的研究进行综合梳理，并且介绍其在材料领域中的实际应用。

1 石墨烯介绍石墨烯，一般为单原子层结构，而特殊情况下，由于多维空间上形成的连接和接触，石墨烯本身的单层结构之间会形成一定的联系，形成第二种情况—多层石墨烯片层结构。

对于单层石墨烯结构，本质上为单层性质的石墨原子构成，但由于目前研究手段的有限性以及石墨烯单层晶体结构不同于其他晶体(晶体结构受热涨落影响而变化)的稳定晶体结构特性，目前人们似乎对其具体的结构尚且无法得知[1]。

也因为其晶体结构的稳定性，前人设计出一系列制备石墨烯的方法。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。

石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。

从微观结构上理解，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格(类似苯环结构)的二维碳纳米材料，其结构特征被称为莫比乌斯环拓扑特征 [2]。

第52卷第11期2023年11月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.11November,2023超级电容器用MOFs 衍生纳米电极材料的研究进展郭容男1,李太文1,王㊀栋1,王天汉1,裴㊀琪1,王媛媛2(1.河南农业大学机电工程学院,郑州㊀450002;2.河南农业大学园艺学院,郑州㊀450002)摘要:超级电容器因具有功率密度高㊁充放电速度快和循环寿命长等优点而备受关注,但是较低的能量密度限制了其广泛应用㊂开发新型高效电极材料对改善超级电容器电化学性能至关重要㊂金属有机框架材料(MOFs)具有比表面积大㊁结构孔径可控和活性位点丰富等特点,故在能量转化和储存领域受到了广泛关注㊂但是由于MOFs 的结构稳定性和导电性较差,其作为超级电容器的电极材料时,无法获得满意的电化学性能㊂以MOFs 为前驱体制得的MOFs 衍生物的稳定性和导电性优于原生MOFs,显著提高了超级电容器的电化学性能㊂本文综述了超级电容器用纳米MOFs 衍生碳化物㊁氧化物㊁氢氧化物㊁磷化物㊁硫化物电极材料的研究现状,总结了MOFs 衍生超级电容器电极材料的合成策略,为超级电容器用MOFs 衍生纳米材料的研究提供指导意义㊂关键词:超级电容器;电极材料;MOF;衍生材料;碳材料;策略选择;结构调制中图分类号:TM53;TB332㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)11-1922-09Research Progress of MOFs-Derived Nano-Electrode Materials for SupercapacitorsGUO Rongnan 1,LI Taiwen 1,WANG Dong 1,WANG Tianhan 1,PEI Qi 1,WANG Yuanyuan 2(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;2.College of Horticulture,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)Abstract :Supercapacitors have attracted much attention because of their high power density,fast charging /discharging speed,and long cycle life.However,the low energy density restricted their wide application.Developing novel and efficient electrode materials is imperative to improve the electrochemical performance of supercapacitors.Metal-organic frameworks (MOFs)have attracted extensive attention in the field of energy conversion and storage,owing to their large specific surface area,controllable pore size,rich active sites and easy synthesis.Nevertheless,due to the inferior structural stability and low conductivity of MOFs,the electrochemical performance of supercapacitors with MOFs electrode materials is unsatisfactory.MOFs derivatives,prepared from the MOFs precursor,possess excellent structural stability and conductivity,thus prominently improve the electrochemical performance of supercapacitors.This work mainly focuses on the MOFs-derived electrode materials for supercapacitors,including MOFs-derived carbides,oxides,hydroxides,phosphides and sulfides.The synthesis strategies of electrode materials for supercapacitors are discussed,providing guidance for the research of nano-MOFs-derived materials for supercapacitors.Key words :supercapacitor;electrode material;MOF;derivative material;carbon material;strategy selection;structural modulation㊀㊀㊀收稿日期:2023-04-28㊀㊀基金项目:河南省高等学校重点科研项目计划(23A430016);河南省自然科学基金(232300421332);中国科学院战略性先导科技专项(B 类,XDB44000000-6)㊀㊀作者简介:郭容男(1987 ),女,陕西省人,博士,讲师㊂E-mail:guorn@0㊀引㊀㊀言超级电容器因具有功率密度高㊁充放电速度快和循环寿命长等优点而备受关注㊂超级电容器根据储能原理分为电化学双层电容器(electrical double-layer capacitor,EDLC)㊁法拉第赝电容器和混合型超级电容器㊀第11期郭容男等:超级电容器用MOFs衍生纳米电极材料的研究进展1923㊀三类,其充放电机理如图1所示㊂其中,EDLC充电时,通过极化电极吸引电解质中的阴阳离子在电极/电解质界面聚集并形成电势差,使其达到储能要求;法拉第赝电容器则是通过电极在外加电场中极化后,电解质中的阴阳离子被吸引到电极附近,在电极表面发生界面反应,在电极内部和电解质中发生体相反应,界面反应和体相反应使大量的电荷储存在电极上,从而实现储能目的;混合型超级电容器的负极通常以EDLC储能原理储能,正极为法拉第赝电容器,通过氧化还原反应进行储能,从而获得更宽的电势窗口,电化学性能得到提升㊂优异的电极材料可使超级电容器具有出色的功率密度㊁循环性能和能量密度㊂电极材料的优劣主要通过其比表面积㊁孔结构㊁活性位点和导电性进行评判[1]㊂金属有机骨架(metal-organic framworks,MOFs)是一种是由金属离子或金属簇和有机配体通过二价或多价配位键构建的三维结构,由于其具有比表面积高(1000~10000m2/g)和孔分布均匀(5~10nm)等优点[2],被广泛应用于吸附[3]㊁催化[4]与传感[5]等领域㊂但是较差的导电性和结构稳定性,限制了其在超级电容器中的应用㊂为此,研究人员以MOFs作为牺牲模板制得MOFs衍生物,MOFs衍生物作为超级电容器的电极材料时,比原生MOFs具有更优异的电化学性能,这主要得益于MOFs衍生物保留了原生MOFs丰富的孔结构和大的比表面积,同时拥有更稳定的结构和更快的载流子传输速度㊂相比普通的MOFs衍生物,纳米MOFs衍生物具有更为特殊的结构和各组分间的协同作用,其构建的超级电容器可以实现快速㊁稳定和高效的电荷储存[6]㊂本文总结了近年来MOFs衍生的纳米材料在超级电容器电极中的应用,详细阐述了策略选择和结构调制对其孔结构㊁载流子传输动力学㊁电化学性能㊁结构稳定性及机械性能的影响,为超级电容器用MOFs衍生纳米材料的研究提供指导㊂图1㊀超级电容器的分类及其充放电机理示意图[7]Fig.1㊀Classification of supercapacitors and their schematic illustration of charge-discharge mechanism[7]1㊀MOFs衍生纳米碳材料纳米多孔碳材料因其高比表面积㊁良好的导电性被广泛应用到EDLC[7]中(见图1)㊂以MOFs作为牺牲模板制备的纳米多孔碳(nano porous carbons,NPCs)保留了原生MOFs的多孔结构,故NPCs具有有序多孔网络结构,广泛作为超级电容器电极[8]㊂NPCs通常通过高温热解直接碳化获得㊂Zhuang等[9]在氩气气氛下高温碳化MIL-100(Fe)纳米颗粒,获得了具有高度石墨化的中空碳多面体(HCPs)㊂HCPs继承了原生铁基MOF的分级孔隙结构,故离子迁移速率快㊂当电流密度为50A/g时,HCPs超级电容器经过5000次充放电循环后,电容仍保持在较高水平㊂虽然NPCs可以继承原生MOFs的孔结构,但是碳化过程可能导致金属纳米颗粒在微孔为主的多孔结构中扩散和不可逆聚集,影响载流子在电极内部的吸附㊁反应㊁缓冲及通过[10]㊂Shang等[11]通过介孔二氧化硅保护煅烧,获得分散良好的ZIF衍生Co和N掺杂碳纳米框架Co,N-CNF㊂如图2(a)所示,以正硅酸四乙酯和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为孔导向剂,将mSiO2壳均匀涂覆在ZIF表面,进行高温热解,最后通过蚀刻去除mSiO2壳㊂mSiO2壳能有效防止Co,N-CNF纳米颗粒聚集和融合,故所得Co,N-CNF纳米结构具有清晰的分级孔结构㊁高比表面积(1170m2/g)和高累积孔体积(1.52m3/g)㊂结构调制赋予Co,N-CNF优越的孔结构和比表面积,保障了载流子在电极内部的活动和快速迁移,使超级电容器表现出优异的电化学1924㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷性能㊂MOFs碳化时的反应温度也至关重要㊂Yao等[12]将Zn基MOF在不同碳化温度(即850㊁950和1050ħ)下进行处理,得到MOF衍生的纳米多孔碳(MOF-NPC,分别表示为MNC850㊁MNC950和MNP1050)㊂研究表明,高温有利于增加纳米多孔碳的石墨化程度和导电性,但过高的温度会导致结构破坏,影响其稳定性和电化学性能(见图2(b)~(d))㊂NPCs材料通常亲水性较差,而N元素的引入有效改善了其在水性电解质中的润湿性㊂同时,N掺杂的NPCs具有更优秀的电催化活性㊂Zhu等[13]以ZIF-67为前驱体,在800ħ下碳化2h获得具有丰富孔结构的Co修饰氮掺杂多孔碳(Co-NPC),再进行磷化得到CoP修饰氮掺杂多孔碳(CoP-NPC)㊂最后将CoP-NPC锚定在还原氧化石墨烯片上获得超级电容器用复合材料(CoP-NPC/RGO)㊂由于CoP-NPC/RGO的3D互连多孔结构,CoP与氮掺杂碳基体之间的协同效应,故制备的超级电容器在1和20A/g的电流密度下,比电容高达466.6和252.0F/g㊂Fang等[14]以尿素为外加氮源,在氮气气氛下热解Zn-bioMOFs,获得了具有手风琴状分层结构的N掺杂类石墨烯碳纳米片(H-NCNs)㊂通过改变尿素用量,调节H-NCNs的氮掺杂程度和孔隙率,提升H-NCNs组装成超级电容器的比电容㊁倍率性能和能量密度㊂图2㊀mSiO2保护煅烧法合成Co,N-CNF过程[11](a)及Zn基MOF不同碳化温度产物MNC850(b)㊁MNC950(c)和MNC1050(d)的SEM照片[12]Fig.2㊀Synthetic procedure of the Co,N-CNF by the mSiO2protected calcination strategy[11]㊀(a)and SEM images ofMNC850(b),MNC950(c)and MNC1050(d)[12]聚合物和表面活性剂等也可调控MOFs衍生NPCs的结构㊂聚合物可作为MOFs衍生纳米多孔碳的结构导向剂和碳源㊂Wang等[15]以聚多巴胺(PDA)为ZIF-8NP的涂层材料,制备中空结构的氮掺杂碳(NC)㊂热解过程中,PDA层为ZIF-8 向外 拉动提供了驱动力,同时ZIF-8体积减小,形成中空结构㊂阴离子表面活性剂(如十二烷基硫酸钠)㊁阳离子表面活性剂(如CTAB)和非离子表面活性剂等也被广泛用于控制MOFs 衍生物的形态和大小[16]㊂SiO2㊁聚合物或表面活性剂在MOFs表面形成壳,诱导MOFs生长为中孔㊁中空㊁蛋黄壳㊁多维中空或多孔结构的MOF衍生纳米多孔碳㊂尽管聚合物和表面活性剂优化了NPCs的结构,提高了NPCs的电化学性能,但这些策略也存在一些问题,例如SiO2辅助策略需要清除模板,步骤繁多㊁条件苛刻;聚合物辅助仅限于一些特定环境中;表面活性剂易引入杂原子等㊂故研究人员通过声化学[17]㊁盐模板[18]和有机化学蚀刻[19]等方法调制MOFs衍生的纳米多孔碳的结构,但是这些策略目前只用于特殊种类的MOFs㊂此外,研究人员还提出了利用零维材料和MOFs复合制备衍生纳米多孔碳,以期进一步提高超级电容器的电化学性能㊂Tang等[20]使用内部支持策略将零维石墨烯量子点(GQD)作为MOFs刚性支架,获得了高效的MOFs衍生纳米碳材料(GMPC)㊂高度结晶的GQD降低了衍生NPCs的缺陷密度,并构建了内部导电网络㊂当GQD和对苯二甲酸的质量比为0.35时,GMPC获得了优异的比表面积和导电率㊂这种多维耦合内㊀第11期郭容男等:超级电容器用MOFs衍生纳米电极材料的研究进展1925㊀部支持策略显著提高了超级电容器的电化学性能㊂表1总结了其他高效MOFs衍生纳米碳材料及其复合材料的结构调制策略,以及调制后的表面形貌和电化学性能,为后续通过结构调制提升电极电化学性能和开发新策略提供帮助㊂表1㊀超级电容器电极材料用部分高效MOFs衍生纳米碳材料Table1㊀Some highly efficient MOF-derived nano-carbon materials for supercapacitor electrodes电极材料形貌制备策略或方法比表面积/(m2㊃g-1)电解液电流密度/(A㊃g-1)比电容/(F㊃g-1) HC-40-4[21]分级纳米结构碳化2837EMIMBF40.5206 Mn@ZnO/CNF[22]多孔十二面体碳化 6mol/L KOH1501Ni/Co-MOF-NPC-2ʒ1[23]空心微球纳米棒碳化1135ʃ272mol/L KOH11214N-NPC-850[24]互联微孔碳化12446mol/L KOH1479UT-CNS[25]超薄纳米片自底向上合成1535.246mol/L KOH0.5347 MOF525-NC1.35[26]立方体碳化和酸化7861mol/L H2SO42425HZC-2M-2h[27]中空十二面体葡萄糖辅助水热7456mol/L KOH0.5220NiO x@NPC[28]立方结构溶剂热15236mol/L KOH1534NGCA[29]蜂窝状干法冷冻和连续高温10856mol/L KOH1244DUT-5-CN[30]二维纳米结构煅烧415.26mol/L KOH0.5100 Zn/Co-MOF-NPC[31]分级多孔结构煅烧和酸洗11376mol/L KOH0.5270Ni-Fe-O/NPC@PCNFs-400[32]四面体纳米棒自模板MOF合成52.953mol/L KOH11419 ZIF-8-NC/rGO[33]碳纳米纸煅烧和酸浸489.36mol/L KOH1280C-S-900[34]三维分层海绵一步热解法1356.36mol/L KOH20226HZ-NPC[35]多面体结构高温碳化约2026mol/L KOH2545 CTAs@NCBs-700(T)[36]纳米棒阵列乙醇原位催化蒸发9051mol/L H2SO41mA/cm2244㊀㊀注:参考文献22㊁24㊁33㊁34的材料采用双电极体系进行电化学性能测试,其余材料测试均采用三电极体系㊂2㊀其他MOFs衍生的纳米材料基于金属氧化物㊁氢氧化物㊁硫化物及磷化物构建的赝电容超级电容器(见图1(b))在充放电过程中主要通过氧化还原反应进行能量储存,故这些材料比NPCs构筑的超级电容器具有更高的能量密度㊂因此研究人员以MOFs为牺牲模板,合成了MOFs衍生的氧化物㊁氢氧化物㊁硫化物和磷化物㊂这些MOFs衍生的纳米材料继承了原生MOFs的有序孔道结构,作为超级电容器的电极材料时,具有更优异的电化学性能㊂其与NPCs组成的非对称超级电容器以及使用单一材料的对称超级电容器相比,拥有更宽的工作电压窗口㊁更高的能量密度以及更优越的循环稳定性[37]㊂Li等[38]向ZIF-67中添加适当比例的钴和镍离子,制备了衍生自双金属咪唑骨架的化合物空心NiCo2O4和片状Co3O4/NiCo2O4,得益于其独特的片状结构以及镍钴两种金属元素的协同作用,Co3O4/NiCo2O4电极在0.5A/g的电流密度下显示出846F/g的高比电容㊂具有丰富活性位点和独特结构的层状双氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)展现出超高理论电容,故LDHs成为混合超级电容器(hybrid supercapacitor,HSC)的理想电极材料之一㊂然而,当一些环境条件发生变化时,离子之间的相互作用增强,导致LDHs团聚,影响了载流子的储存㊁交换和释放[39],影响了LDHs超级电容器的电化学性能㊂为了缓解LDHs的团聚,研究人员利用MOFs和LDHs制得了MOFs衍生的纳米层状氢氧化物(MOFs-LDHs)㊂Zhang等[40]在MOF的分级结构中原位蚀刻/电沉积,构建了界面扩散电极HKUST-1@CoNiLDH(见图3(a))㊂在1A/g的电流密度下,其比电容为297.23mA㊃h/g㊂HKUST-1@CoNiLDH 与活性炭阳极制成的HSC具有相当可观的能量密度和功率密度(39.8W㊃h/kg和799.9W/kg)㊂Hu等[41]使用电化学阴离子交换方法控制MOFs的水解,合成了多孔Ni/Co氢氧化物纳米片㊂电化学阴离子交换后, MOFs纳米片的有机配体可以循环再利用㊂当NiʒCo的摩尔比为7ʒ3时,多孔Ni/Co氢氧化物电极的能量密度和功率密度高达74.7W㊃h/kg和5990.6W/kg,经过8000次充放电循环后仍具有较高电容保持率㊂在电化学阴离子交换方法控制MOFs水解策略中,可循环利用的有机配体降低了电极的制备成本,这种结构调制方法为后续制备成本更低和更环保的电极材料提供了参考㊂除了MOFs衍生的氧化物和LDHs被广泛作为超级电容器电极,MOFs衍生的硫化物也受到了较多的关注㊂MOFs衍生的硫化物比MOFs衍生的氧化物和LDHs的结构更灵活,与过渡金属之间的配位能力更好㊂1926㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷Acharya等[42]采用MOFs介导硫化合成了瘤状Ni-Co-S纳米材料,并将中空和多孔NiMoO4纳米管集成到rGO 涂覆的泡沫镍上,制备了NiMoO4@Ni-Co-S超级电容器电极材料㊂经过硫化和刻蚀后,NiMoO4@Ni-Co-S电极独特的开放框架和管状结构极大缩短了载流子迁移路径,促进了复合电极的法拉第反应速率㊂在2mol/L 的KOH电解质中,1A/g的电流密度下,获得了318mA㊃h/g的高比容量;经过10000次充放电循环后,初始电容保持率仍高达88.87%,展现了其优异的循环性能㊂磷化物自然丰度高㊁环境友好㊁价格低廉㊂MOFs衍生的金属磷化物纳米材料用作超级电容器电极时,由于多组分的协同作用,增强了电极材料的电导率㊁氧化还原反应动力学和循环性能[43]㊂He等[44]通过水热法实现了层状砖堆叠NiCo-MOF组件的局部磷化,制备了由镍/钴MOF(NiCo-MOF)和磷化物(NiCoP)组成的功能异质结构(NiCoP-MOF)㊂NiCoP-MOF中P-O可以有效防止NiCoP晶体在离子储存和交换时被破坏,赋予了NiCoP-MOF极佳的结构稳定性㊂以其制备的超级电容器的比电容㊁能量密度和功率密度远优于NiCo-MOF㊂Chhetri等[45]通过核-壳静电纺丝技术制备了中空碳纳米纤维(HCNF),然后进行连续稳定和碳化㊂在HCNF内外合成了双金属MOF(Ni和Fe基),并通过磷化转化为双金属磷化物(Ni-Fe-P)㊂HCNF独特的高孔隙率和中空通道,极大提升了电解质离子/电子的传输速率㊂故(Ni-Fe)-P-C@HCNFs电极展现出优异的电化学性能㊂图3㊀HKUST-1@CoNiLDH[40](a)和MOF/MXene/NF[46](b)基电极的合成示意图Fig.3㊀Schematic illustration of synthesis process of HKUST-1@CoNiLDH(a)[40]and MOF/MXene/NF(b)based electrodes[46]尽管MOFs衍生的金属氧化物㊁氢氧化物㊁硫化物和磷化物等纳米材料展现出了优异的电化学性能,但是这些衍生物仍存在金属离子与有机配体之间的弱配位键和不稳定性㊁活性位点利用率低以及晶格失配等诸多问题,导致在储能领域的应用受到了诸多限制㊂针对这些问题,研究人员使用不同的合成策略和结构调制方法开发了MOFs衍生的多元材料和复合材料㊂通过不同元素之间的协同作用和更高效的纳米结构来改善电极材料的电化学性能[47]㊂Li等[48]使用电沉积和CVD制备了阵列结构材料㊂在MOF-CVD过程中,树状阵列之间的自由空间有效缓解了体积膨胀,保证了阵列结构的结构完整性和稳定性㊂在20A/g的高电流密度下,比电容高达368F/g;在经过10000次循环后,电容保持率高达95.9%㊂此外,可利用界面工程构建异质纳米结构,调整混合MOFs衍生纳米材料和其他材料形态,提高超级电容器的电化学性能[49]㊂Yang等[46]通过温度控制退火工艺在泡沫镍(NF)(即MOF/MXene/NF)上制备Ni-MOF/V2CTx-MXene-300复合材料㊂随后在不改变晶体结构的情况下,构建了分级多孔纳米棒复合材料㊀第11期郭容男等:超级电容器用MOFs衍生纳米电极材料的研究进展1927㊀的异质结构(见图3(b))㊂其构建的异质结结构与活性炭/NF作为阳极组成的超级电容器的能量密度和功率密度分别为46.3W㊃h/kg和746.8W/kg,循环15000次后,初始容量保持率高达118.1%,这得益于Ni O V键的界面相互作用可以有效地调节组件的电子结构,增强电子传导性和反应性㊂MOFs衍生超级电容器电极材料的合成策略主要包括模板碳化策略㊁表面修饰策略㊁衍生金属化合物策略等㊂在模板碳化策略中,将MOFs直接高温热解或水热处理生成碳骨架,这种方法可以获得具有高比表面积的和多孔结构的碳材料[50]㊂在表面修饰策略中,通过一些化学修饰将纳米颗粒引入到MOFs的表面或内部,改善MOFs的电化学性能和储能性能[51-52]㊂在衍生金属化合物策略中,将MOFs衍生成金属氧化物㊁双层氢氧化物㊁金属磷化物以及金属硫化物,这些金属化合物具有优异的电化学活性,是超级电容器电极极具潜力的材料[53-54]㊂值得注意的是,具体的合成策略可能会根据具体的MOFs材料和应用需求而有所差异,在设计和合成过程中,需要综合考虑材料的电化学性能㊁稳定性和成本等因素㊂结构调制在MOFs衍生超级电容器电极材料的合成过程中也十分重要,其中经结构调制后的MOFs衍生的多元材料和复合材料所展现的电化学性能尤为突出㊂Pathak等[55]通过同轴静电纺丝合成了具有足够柔韧性㊁导电性和高度功能化的含有中空碳纳米纤维(MXHCNF)的MXenes,并在MXHCNF内外装饰聚吡咯层得到PPy@MXHCNF㊂PPy@MXHCNF作为独立电极的高效基底,均匀生长了ZnCoMOF㊂该材料作为超级电容器电极(ZCO@PPy@MXHCNF)时,在1A/g的电流密度下具有1567.5F/g的超高比电容㊂ZCO@PPy@MXHCNF 电极的高比电容主要源于其独特的三层结构形态学㊁自行设计的高效基底以及双金属MOFs提供的协同作用㊂当前不同种类材料的耦合受到了研究人员的广泛关注,在超级电容器的电极设计方面,电极材料之间的协同作用可提升离子载流子传输动力学㊁结构稳定性以及电容性能等[56-57]㊂Jayakumar等[58]将MOF衍生的双金属氧化物与石墨烯3D水凝胶耦合,通过连续且多孔的石墨烯导电网络实现了2870.8F/g的高比电容㊂Shao等[59]在UiO-66的孔中生长聚苯胺分子链(PANI/UiO-66),形成固定的互穿网络结构㊂PANI/UiO-66通过多种协同作用增强了其电导率和电化学性能,以其为电极材料制备的柔性超级电容器在800个180ʎ的弯曲周期后,其性能仅下降10%,这种柔性超级电容器在储能装置中显示出了巨大的潜力㊂3㊀结语与展望本文综述了目前MOFs衍生碳材料㊁氧化物㊁氢氧化物㊁硫化物以及磷化物作为高效超级电容器电极材料的研究进展,概括和总结了目前超级电容器电极用MOFs衍生材料的合成策略和结构调制方法㊂在孔结构的设计中,微孔用于EDLC载流子的吸附和赝电容的体相反应,介孔用于载流子的交换,大孔主要用于载流子的储存扩散㊂通过结构调制调整MOFs衍生材料的结构尺寸㊁孔隙率和载流子通道对提高超级电容器的电化学性能至关重要㊂尽管目前MOFs衍生物具有高比电容㊁高功率密度㊁快充放电及长循环寿命等优异的超级电容行为,但后续电极材料的开发仍存在合成策略选择的多样性㊁结构调制不确定性和不稳定性㊁合成过程消耗能量大,以及环境问题等,限制了其在超级电容器中的商业化应用㊂为了进一步提高超级电容器用MOFs衍生材料的电化学性能,促进超级电容器的商业化,需从以下几个方面进行进一步的探究㊂对于MOFs衍生碳材料,可将其与杂原子进行掺杂,在原子水平上调节材料的原子/分子结构,通过改变材料的电子结构来提高超级电容器的性能㊂此外,进一步深入研究MOFs衍生碳材料的储能机理㊂通过先进的表征方法获得其在循环过程中的形貌㊁价态㊁结构和组分变化,建立研究模型,通过计算机模拟手段对其建立材料模型以及材料数据库,并结合机器学习和大数据模型对材料进行更直观的表达和预测㊂对于MOFs衍生氧化物㊁氢氧化物㊁硫化物以及磷化物纳米材料,首先可通过不同过渡金属离子与配体结合,构建新型拓扑结构的原生MOFs,再通过硫化或磷化调节组分活性,提升MOFs衍生纳米电极材料电容特性和结构稳定性㊂其次,尝试MOFs衍生的多元材料与不同维度㊁不同种类以及不同特性的材料耦合,提升电化学性能和机械性能㊂最后MOFs衍生的多元材料在复合时存在缺陷和引入杂原子等问题,故需系统研究异质原子掺杂量和位错缺陷浓度之间的关系,并深入探究位错缺陷浓度对电极材料的导电性㊁电化学活性以及结构稳定性的影响㊂此外,MOFs衍生氧化物㊁氢氧化物㊁硫化物㊁磷化物和其复合所得的材料在不同电解质中电容表现不同,故需通过合理匹配电极和电解质,降低电极在循环过程中的衰变㊂1928㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷参考文献[1]㊀XU B,ZHANG H B,MEI H,et al.Recent progress in metal-organic framework-based supercapacitor electrode materials[J].CoordinationChemistry Reviews,2020,420:213438.[2]㊀ZHAO Y,SONG Z X,LI X,et al.Metal organic frameworks for energy storage and conversion[J].Energy Storage Materials,2016,2:35-62.[3]㊀EMAM H E,ABDELHAMEED R M,AHMED H B.Adsorptive performance of MOFs and MOF containing composites for clean energy and safeenvironment[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2020,8(5):104386.[4]㊀ADEGOKE K A,MAXAKATO N W.Porous metal-organic framework(MOF)-based and MOF-derived electrocatalytic materials for energyconversion[J].Materials Today Energy,2021,21:100816.[5]㊀DOLGOPOLOVA E A,RICE A M,MARTIN C R,et al.Photochemistry and photophysics of MOFs:steps towards MOF-based sensingenhancements[J].Chemical Society Reviews,2018,47(13):4710-4728.[6]㊀ZHANG X Q,CHENG X B,ZHANG Q.Nanostructured energy materials for electrochemical energy conversion and storage:a review[J].Journal of Energy Chemistry,2016,25(6):967-984.[7]㊀MILLER E E,HUA Y,TEZEL F H.Materials for energy storage:review of electrode materials and methods of increasing capacitance forsupercapacitors[J].Journal of Energy Storage,2018,20:30-40.[8]㊀YANG W P,LI X X,LI Y,et al.Applications of metal-organic-framework-derived carbon materials[J].Advanced Materials,2018:1804740.[9]㊀ZHUANG J L,LIU X Y,MAO H L,et al.Hollow carbon polyhedra derived from room temperature synthesized iron-based metal-organicframeworks for supercapacitors[J].Journal of Power Sources,2019,429:9-16.[10]㊀WANG C H,KIM J,TANG J,et al.New strategies for novel MOF-derived carbon materials based on nanoarchitectures[J].Chem,2020,6(1):19-40.[11]㊀SHANG L,YU H J,HUANG X,et al.Carbon nanoframes:well-dispersed ZIF-derived co,N-co-doped carbon nanoframes through mesoporous-silica-protected calcination as efficient oxygen reduction electrocatalysts[J].Advanced Materials,2016,28(8):1712.[12]㊀YAO M Y,ZHAO X,JIN L,et al.High energy density asymmetric supercapacitors based on MOF-derived nanoporous carbon/manganese dioxidehybrids[J].Chemical Engineering Journal,2017,322:582-589.[13]㊀ZHU J,SHEN X P,KONG L R,et al.MOF derived CoP-decorated nitrogen-doped carbon polyhedrons/reduced graphene oxide composites forhigh performance supercapacitors[J].Dalton Transactions,2019,48(28):10661-10668.[14]㊀FANG H,BIAN H,ZHANG H,et al.Hierarchical porous nitrogen-doped carbon nanosheets derived from zinc-based bio MOF as flexiblesupercapacitor electrode[J].Applied Surface Science,2023,614:156154.[15]㊀WANG M J,MAO Z X,LIU L,et al.Preparation of hollow nitrogen doped carbon via stresses induced orientation contraction[J].Small,2018,14(52):1804183.[16]㊀LI C J,YANG W H,HE W,et al.Multifunctional surfactants for synthesizing high-performance energy storage materials[J].Energy StorageMaterials,2021,43:1-19.[17]㊀BAI P Y,WEI S L,LOU X X,et al.An ultrasound-assisted approach to bio-derived nanoporous carbons:disclosing a linear relationship betweeneffective micropores and capacitance[J].RSC Advances,2019,9(54):31447-31459.[18]㊀ZHANG Z,FENG J Z,JIANG Y G,et al.Self-sacrificial salt templating:simple auxiliary control over the nanoporous structure of porous carbonmonoliths prepared through the solvothermal route[J].Nanomaterials,2018,8(4):255.[19]㊀ZHANG W,JIANG X F,ZHAO Y Y,et al.Hollow carbon nanobubbles:monocrystalline MOF nanobubbles and their pyrolysis[J].ChemicalScience,2017,8(5):3538-3546.[20]㊀TANG T T,YUAN R L,GUO N N,et al.Improving the surface area of metal organic framework-derived porous carbon through constructing innersupport by compatible graphene quantum dots[J].Journal of Colloid and Interface Science,2022,623:77-85.[21]㊀LIU W H,WANG K,LI C,et al.Boosting solid-state flexible supercapacitors by employing tailored hierarchical carbon electrodes and a high-voltage organic gel electrolyte[J].Journal of Materials Chemistry A,2018,6(48):24979-24987.[22]㊀SAMUEL E,JOSHI B,KIM M W,et al.Hierarchical zeolitic imidazolate framework-derived manganese-doped zinc oxide decorated carbonnanofiber electrodes for high performance flexible supercapacitors[J].Chemical Engineering Journal,2019,371:657-665.[23]㊀ZHOU P,WAN J F,WANG X R,et al.Nickel and cobalt metal-organic-frameworks-derived hollow microspheres porous carbon assembled fromnanorods and nanospheres for outstanding supercapacitors[J].Journal of Colloid and Interface Science,2020,575:96-107. [24]㊀ZHANG S,SHI X Z,WEN X,et al.Interconnected nanoporous carbon structure delivering enhanced mass transport and conductivity towardexceptional performance in supercapacitor[J].Journal of Power Sources,2019,435:226811.[25]㊀ZHAO K M,LIU S Q,YE G Y,et al.High-yield bottom-up synthesis of2D metal-organic frameworks and their derived ultrathin carbonnanosheets for energy storage[J].Journal of Materials Chemistry A,2018,6(5):2166-2175.[26]㊀LI Q A,DAI Z W,WU J B,et al.Fabrication of ordered macro-microporous single-crystalline MOF and its derivative carbon material forsupercapacitor[J].Advanced Energy Materials,2020,10(33):1903750.㊀第11期郭容男等:超级电容器用MOFs衍生纳米电极材料的研究进展1929㊀[27]㊀WANG J E,LUO X L,YOUNG C,et al.A glucose-assisted hydrothermal reaction for directly transforming metal-organic frameworks into hollowcarbonaceous materials[J].Chemistry of Materials,2018,30(13):4401-4408.[28]㊀AL-ENIZI A M,UBAIDULLAH M,AHMED J,et al.Synthesis of NiO x@NPC composite for high-performance supercapacitor via waste petplastic-derived Ni-MOF[J].Composites Part B:Engineering,2020,183:107655.[29]㊀PING Y J,YANG S J,HAN J Z,et al.N-self-doped graphitic carbon aerogels derived from metal-organic frameworks as supercapacitor electrodematerials with high-performance[J].Electrochimica Acta,2021,380:138237.[30]㊀LIU Y,XU J,LIU S C.Porous carbon nanosheets derived from Al-based MOFs for supercapacitors[J].Microporous and Mesoporous Materials,2016,236:94-99.[31]㊀HE D P,GAO Y,YAO Y C,et al.Asymmetric supercapacitors based on hierarchically nanoporous carbon and ZnCo2O4from a single biometallicmetal-organic frameworks(Zn/co-MOF)[J].Front Chem,2020,8:719.[32]㊀ACHARYA D,PATHAK I,DAHAL B,et al.Immoderate nanoarchitectures of bimetallic MOF derived Ni-Fe-O/NPC on porous carbonnanofibers as freestanding electrode for asymmetric supercapacitors[J].Carbon,2023,201:12-23.[33]㊀LU H Y,LIU S L,ZHANG Y F,et al.Nitrogen-doped carbon polyhedra nanopapers:an advanced binder-free electrode for high-performancesupercapacitors[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2019,7(5):5240-5248.[34]㊀CAO X M,SUN Z J,ZHAO S Y,et al.MOF-derived sponge-like hierarchical porous carbon for flexible all-solid-state supercapacitors[J].Materials Chemistry Frontiers,2018,2(9):1692-1699.[35]㊀KIM J,YOUNG C,LEE J,et al.Nanoarchitecture of MOF-derived nanoporous functional composites for hybrid supercapacitors[J].Journal ofMaterials Chemistry A,2017,5(29):15065-15072.[36]㊀TANG Z Y,ZHANG G H,ZHANG H,et al.MOF-derived N-doped carbon bubbles on carbon tube arrays for flexible high-rate supercapacitors[J].Energy Storage Materials,2018,10:75-84.[37]㊀LIU H,LIU X,WANG S L,et al.Transition metal based battery-type electrodes in hybrid supercapacitors:a review[J].Energy StorageMaterials,2020,28:122-145.[38]㊀LI J N,ZHANG C Y,WEN Y P,et al.Design of ZIF-67MOF-derived Co3O4/NiCo2O4nanosheets for supercapacitor electrode materials[J].Journal of Chemical Research,2021,45(11-12):983-991.[39]㊀ZHANG X,WANG S L,XU L,et al.Controllable synthesis of cross-linked CoAl-LDH/NiCo2S4sheets for high performance asymmetricsupercapacitors[J].Ceramics International,2017,43(16):14168-14175.[40]㊀ZHANG Y N,CHEN J L,SU C Y,et al.Enhanced ionic diffusion interface in hierarchical metal-organic framework@layered double hydroxidefor high-performance hybrid supercapacitors[J].Nano Research,2022,15(10):8983-8990.[41]㊀HU Q,CHAI Y R,ZHOU X Y,et al.Electrochemical anion-exchanged synthesis of porous Ni/Co hydroxide nanosheets for ultrahigh-capacitancesupercapacitors[J].Journal of Colloid and Interface Science,2021,600:256-263.[42]㊀ACHARYA J,OJHA G P,KIM B S,et al.Modish designation of hollow-tubular rGO-NiMoO4@Ni-co-S hybrid core-shell electrodes withmultichannel superconductive pathways for high-performance asymmetric supercapacitors[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2021,13(15):17487-17500.[43]㊀LIU Z C,ZHANG G,ZHANG K,et al.Low electronegativity Mn bulk doping intensifies charge storage of Ni2P redox shuttle for membrane-freewater electrolysis[J].Journal of Materials Chemistry A,2020,8(7):4073-4082.[44]㊀HE S X,GUO F J,YANG Q,et al.Design and fabrication of hierarchical NiCoP-MOF heterostructure with enhanced pseudocapacitive properties[J].Small,2021,17(21):2100353.[45]㊀CHHETRI K,KIM T,ACHARYA D,et al.Hollow carbon nanofibers with inside-outside decoration of Bi-metallic MOF derived Ni-Fephosphides as electrode materials for asymmetric supercapacitors[J].Chemical Engineering Journal,2022,450:138363.[46]㊀YANG X F,TIAN Y H,LI S A,et al.Heterogeneous Ni-MOF/V2CT x-MXene hierarchically-porous nanorods for robust and high energy densityhybrid supercapacitors[J].Journal of Materials Chemistry A,2022,10(22):12225-12234.[47]㊀HUANG Y C,ZHOU T,LIU H,et al.Do Ni/Cu and Cu/Ni alloys have different catalytic performances towards water-gas shift?A densityfunctional theory investigation[J].ChemPhysChem,2014,15(12):2490-2496.[48]㊀LI Y,XIE H Q,LI J,et al.Metal-organic framework-derived CoO x/carbon composite array for high-performance supercapacitors[J].ACSApplied Materials&Interfaces,2021,13(35):41649-41656.[49]㊀LI D X,WANG J A,GUO S J,et al.Molecular-scale interface engineering of metal-organic frameworks toward ion transport enables high-performance solid lithium metal battery[J].Advanced Functional Materials,2020,30(50):2003945.[50]㊀LIU Y,XU X M,SHAO Z P,et al.Metal-organic frameworks derived porous carbon,metal oxides and metal sulfides-based compounds forsupercapacitors application[J].Energy Storage Materials,2020,26:1-22.[51]㊀LI Z W,MI H Y,LIU L,et al.Nano-sized ZIF-8anchored polyelectrolyte-decorated silica for nitrogen-rich hollow carbon shell frameworkstoward alkaline and neutral supercapacitors[J].Carbon,2018,136:176-186.[52]㊀YAN C X,WEI J,GUAN J,et al.Highly foldable and free-standing supercapacitor based on hierarchical and hollow MOF-anchored cellulose。

超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究1. 本文概述随着现代科技的发展，能源存储技术正面临着前所未有的挑战和机遇。

超级电容器作为一种重要的能源存储设备，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命周期和环境友好性而受到广泛关注。

在超级电容器的构造中，复合电极材料的研发尤为关键，其直接决定了超级电容器的电化学性能和整体效能。

本文旨在探讨超级电容器复合电极材料的制备方法及其电化学性能。

本文将对目前广泛研究的几种复合电极材料，如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，进行系统的综述。

这些材料在超级电容器中的应用优势和面临的挑战将被详细讨论。

接着，本文将重点介绍几种创新的复合电极材料制备技术，包括化学气相沉积、水热合成、溶胶凝胶法等。

这些方法在制备过程中对材料结构和形貌的控制，以及对电化学性能的影响将被深入分析。

本文将通过实验数据，评估所制备的复合电极材料在超级电容器中的实际应用性能，包括比电容、能量密度、循环稳定性等关键指标。

通过这些研究，本文旨在为超级电容器复合电极材料的发展提供新的视角和技术路径，推动能源存储技术的进步。

2. 文献综述超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的能量存储设备。

它们的主要特点是具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力。

超级电容器的储能机制主要是双电层电容，涉及电极材料与电解质之间的电荷分离。

这一领域的研究起始于20世纪50年代，随着材料科学和电化学技术的进步，超级电容器在能量存储领域的重要性日益凸显。

超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的性质。

近年来，研究者们广泛关注复合电极材料，因其能够结合不同材料的优点，从而提高超级电容器的整体性能。

常见的复合电极材料包括碳基材料、金属氧化物、导电聚合物等。

这些材料通过不同的复合策略（如物理混合、化学接枝、层层自组装等）进行组合，旨在提高比电容、能量密度和循环稳定性。

电化学性能是评估超级电容器电极材料的关键指标。

《镍锰基复合电极材料的制备及其超级电容性能研究》篇一摘要：本文着重研究了镍锰基复合电极材料的制备工艺及其在超级电容领域的应用。

通过实验，我们成功制备了具有优异电化学性能的镍锰基复合材料，并对其结构、形貌及电化学性能进行了详细分析。

研究结果表明，所制备的镍锰基复合电极材料在超级电容领域具有较高的应用潜力。

一、引言随着现代科技的不断发展，超级电容作为一种新型的储能器件，因其高功率密度、快速充放电、长寿命等优点，在电动汽车、可再生能源存储等领域得到了广泛的应用。

电极材料作为超级电容的核心部分，其性能的优劣直接决定了超级电容的性能。

因此，研究高性能的电极材料对于提高超级电容的性能具有重要意义。

本文以镍锰基复合电极材料为研究对象，对其制备工艺及电化学性能进行了深入研究。

二、材料制备1. 材料选择与配比本实验选用镍盐和锰盐作为主要原料，通过控制原料的配比，制备出不同比例的镍锰基复合材料。

2. 制备方法采用溶胶凝胶法结合高温煅烧工艺，通过控制反应温度、时间等参数，成功制备出镍锰基复合电极材料。

三、材料结构与形貌分析1. XRD分析通过X射线衍射分析，确定了所制备材料的晶体结构，结果表明，所制备的镍锰基复合材料具有较高的结晶度。

2. SEM分析扫描电子显微镜观察显示，所制备的镍锰基复合材料具有均匀的颗粒分布和良好的形貌。

四、电化学性能研究1. 循环伏安法（CV）测试通过循环伏安法测试，分析了所制备的镍锰基复合电极材料的充放电性能。

结果表明，该材料具有较高的比电容和优异的充放电性能。

2. 恒流充放电测试恒流充放电测试结果表明，所制备的镍锰基复合电极材料具有较长的循环寿命和较高的能量密度。

3. 阻抗谱分析阻抗谱分析表明，所制备的镍锰基复合电极材料具有较低的内阻和良好的离子扩散性能。

五、结论通过实验研究，我们成功制备了具有优异电化学性能的镍锰基复合电极材料。

该材料具有较高的比电容、优异的充放电性能、较长的循环寿命和较低的内阻。

《石墨烯的制备及在超级电容器中的应用》篇一一、引言随着科技的进步，纳米材料的应用已经引起了科学界的广泛关注。

在众多纳米材料中，石墨烯因其独特的物理、化学性质，特别是其超高的电导率和极大的比表面积，已成为近年来材料科学领域的研究热点。

本篇论文旨在深入探讨石墨烯的制备方法以及其在超级电容器中的应用。

二、石墨烯的制备石墨烯的制备方法多种多样，常见的包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。

1. 机械剥离法：此方法主要是通过机械力将石墨薄片剥离成单层或多层石墨烯。

此法虽然可以制备出高质量的石墨烯，但生产效率较低，不适合大规模生产。

2. 化学气相沉积法：此法通过在高温条件下使气体中的碳原子在基底上沉积形成石墨烯。

此法可以制备大面积的石墨烯，但制备过程需要高温和特定的气体环境。

3. 氧化还原法：此法首先通过强酸等化学试剂将天然石墨氧化，形成氧化石墨（GO），然后通过还原GO得到石墨烯。

此法生产效率高，成本低，适合大规模生产。

三、石墨烯在超级电容器中的应用超级电容器是一种具有高能量密度和高功率密度的储能器件，而石墨烯因其独特的物理性质，使其成为超级电容器的理想材料。

1. 石墨烯的电化学性质：石墨烯具有超高的比表面积和良好的导电性，这使其在电化学反应中能够提供更多的活性位点，从而提高电容器的电容量。

2. 石墨烯在超级电容器中的应用：由于石墨烯的优异性能，其被广泛应用于超级电容器的电极材料。

在电极中，石墨烯不仅可以提供大量的电荷传输通道，还可以通过其大比表面积提供更多的电荷存储空间。

此外，石墨烯的优异导电性可以降低电极的内阻，从而提高电容器的充放电速率。

四、结论随着科技的发展，石墨烯的制备技术已经越来越成熟，其在超级电容器中的应用也越来越广泛。

未来，随着对石墨烯性能的深入研究以及制备技术的进一步优化，石墨烯在超级电容器以及其他领域的应用将更加广泛。

同时，我们也需要关注到石墨烯在实际应用中可能面临的问题和挑战，如成本、环境影响等，以期在未来的研究中找到更好的解决方案。

基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状超级电容器是一种发展成本低、环境友好、能量密度高的新型绿色能源装置，具有充电时间短、放电速度快、使用寿命长、节约能源和绿色环保等优点，得到了科学界的一致追捧，而影响超级电容器最关键的因素就是电极材料的性能。

过渡金属氧化物如Mn02，ZnO，C0304和NiO等虽是较好的电极材料，但导电性能较差，会产生较大的内阻，使得在充放电过程中，容易导致电极材料结构的破坏而影响其充放电容量和循环性能。

将过渡金属负载到碳材料例如石墨烯上可以较好的解决这一难题，这方面研究国内外已有很多相关报道。

作为碳材料中重要的一员，石墨烯由于导电性能强、导热性好、质量轻、比表面积大而备受关注，在储能装置、电化学器件、功能性复合材料等方面都具有重要的应用。

将石墨烯应用到超级电容器上，改善了超级电容器的电容量和循环稳定性。

但石墨烯层与层之间的分子问作用力导致石墨烯容易团聚，从而降低了石墨烯的比表面积和比容量。

将过渡金属氧化物和石墨烯组装成复合材料，既能提高电极材料的导电性和充放电容量，又能增强其循环稳定性。

1过渡金属氧化物与石墨烯复合材料在超级电容器中的应用1．1二氧化锰／石墨烯在超级电容器的研究中，锰作为过渡元素较先受到关注。

虽然它资源比较丰富，且易获取，但电化学性能较弱，尤其是导电性能差阻碍了人们进一步研究的步伐。

通过与石墨烯的复合，能在一定程度上改善二氧化锰存在的问题，大幅度提高其比电容和循环性能。

Li等制备的石墨烯／Mn02复合纸电极具有无黏结剂、柔韧性好的特性，并发现其具有良好的循环稳定性，且在浓度为0．1 mol／L 的Na2SO4水溶液中，当电极的Mn02含量为24％，电流密度为O．5 A ／g时，该复合纸电极的比容量为256 F/g。

Wei等通过高锰酸钾还原成二氧化锰沉积在石墨烯表面制备出了二氧化锰／石墨烯复合材料，该复合材料在超级电容器性能测试中显示了较好的循环寿命，其电容为114 F／g。

Ni(OH)_(2)基复合材料的制备及其在超级电容器方面的进展饶冰莹;陈姿蕾;胡亚凌;李柱柱;张正阳;陈萍华【期刊名称】《天津化工》【年(卷),期】2024(38)1【摘要】超级电容器是一种很有前途的电化学储能系统,合理设计和构建高比电容材料,对于超级电容器技术的发展至关重要。

具有高化学稳定性、高理论容量、高速率性能等优点的Ni(OH)_(2)材料在近年引起了广泛关注。

然而,其实际测试性能(尤其是速率能力)通常远低于理论值,这可能归因于活性位点的可接近性受限、反应动力学缓慢或电子转移能力不足,严重阻碍了其的实际应用。

研究人员试图打破Ni(OH)_(2)固有结构的限制,探索提升其性能的方法。

本文综述了Ni(OH)_(2)及其复合材料的制备方法:溶剂热法、电沉积法、化学沉积法、微波水热合成法等,并将其应用于超级电容器方面的进展进行了总结。

此外,本文指出了Ni(OH)_(2)及其复合材料应用于超级电容器所面临的挑战和前景,以满足现代社会的应用需求。

【总页数】3页(P128-130)【作者】饶冰莹;陈姿蕾;胡亚凌;李柱柱;张正阳;陈萍华【作者单位】南昌航空大学环境与化学工程学院【正文语种】中文【中图分类】TB331【相关文献】1.MnCo₂O₄@Ni(OH)₂复合材料的制备及作为超级电容器正极材料的性能研究2.Ni、Co、Fe基复合材料及在超级电容器中的应用——评《Ni、Co、Fe基复合材料的制备及其电化学性能研究》3.电化学法制备石墨烯基复合材料及其在超级电容器中的研究进展4.三维Y(OH)_(3)@Ni(OH)_(2)/CC复合材料的制备及其作为柔性超级电容器电极性能的研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

超级电容器电极材料制备与性能研究超级电容器是一种新型的储能装置，潜力巨大。

由于它的高功率密度、长寿命、快充快放等特点，在新能源、制动能量回收、能量储存等领域得到了广泛的应用。

超级电容器的核心是电极材料，因此电极材料制备与性能研究是超级电容器技术研究的关键。

超级电容器的电极材料主要包括活性材料、电导添加剂、导电子材料等，其中活性材料是超级电容器电极材料的核心。

活性材料对于超级电容器的性能和成本起着至关重要的作用，因此其制备技术和性能研究成为超级电容器技术研究的重点。

活性材料是超级电容器电极材料中的核心，是储存电荷的重要成分。

目前常见的超级电容器电极材料主要有金属氧化物、碳材料、聚合物等，但是这些材料都存在着不同程度的缺点。

金属氧化物具有较高的比容量、较高的功率密度和较长的寿命，但在循环稳定性和低温性能方面表现不佳；碳材料的比电容相对较低，但是具有较优良的低温和循环稳定性；聚合物材料在高频领域具有卓越的性能，但是比容量较小。

因此，在活性材料的研究和制备方面，面临着如何综合优化电容量、功率密度、循环稳定性、低温性能等不同需求的问题。

金属氧化物在超级电容器电极材料中应用广泛，但存在不同程度的问题。

钛酸锂材料的比容量较高，但由于其电导率较低，使用较少。

氧化铅材料的比容量小，但可在循环稳定性和低温性能方面表现突出。

氧化锰材料在较宽温度范围内表现出较好的性能，但在一些高功率应用场合下，其容量衰减快的问题较为突出。

碳材料是一种理想的超级电容器电极材料，因其良好的电化学性能、高倍率性能、循环稳定性和低温性能等优良特性被广泛研究。

碳材料主要包括活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。

活性炭是一种开孔材料，具有极高的比表面积，能够提供大量的储电空间。

碳纤维和碳纳米管具有较好的导电性质和高倍率性能，可以提供快速的电荷转移和释放。

石墨烯作为一种新型的二维材料，具有高导电性、高比表面积和理想的电化学反应界面，被视为超级电容器电极材料的理想选择。

超级电容器的电极材料的研究进展一、本文概述随着科技的不断进步和新能源领域的飞速发展，超级电容器作为一种高效、快速储能器件，已逐渐引起科研工作者和工业界的广泛关注。

作为超级电容器的核心组件，电极材料的性能直接影响着超级电容器的电化学性能和实际应用效果。

研究和开发高性能的电极材料对于提升超级电容器的整体性能、推动其在新能源领域的应用具有十分重要的意义。

本文旨在对超级电容器的电极材料的研究进展进行全面的梳理和综述。

文章首先介绍了超级电容器的基本原理和电极材料在其中的作用，然后重点阐述了当前常用的电极材料类型，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，并分析了它们各自的优势和存在的问题。

接着，文章综述了近年来在电极材料研究方面取得的重要突破和进展，包括材料结构设计、复合材料的开发、表面改性等方面的研究。

文章对超级电容器电极材料的研究趋势和未来发展方向进行了展望，以期为相关领域的研究者提供参考和借鉴。

二、超级电容器概述超级电容器（Supercapacitor），亦称为电化学电容器（Electrochemical Capacitor），是一种介于传统电容器和电池之间的储能器件。

其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及良好的环境适应性等特点，因此在能源储存和转换领域引起了广泛关注。

超级电容器的储能原理主要基于电极材料表面和近表面的快速、可逆的法拉第氧化还原反应或非法拉第的静电吸附过程。

相比于传统电容器，超级电容器能够提供更高的能量密度而相较于电池，它又具备更高的功率密度和更快的充放电速度。

这些独特的性能使得超级电容器在电动汽车、可再生能源系统、移动通讯、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

超级电容器的电极材料是其性能的决定性因素。

理想的电极材料应具备高比表面积、高电导率、良好的化学稳定性和环境友好性等特点。

目前，研究者们已经开发出多种类型的电极材料，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等。

这些材料各有优势，但也存在一些问题，如比能量低、循环稳定性差等。

(氢)氧化镍碳纳米复合材料及其超级电容性能研究的开题报告题目：(氢)氧化镍碳纳米复合材料及其超级电容性能研究一、研究背景电化学超级电容器是一种高性能电化学储能装置，其具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命等优点，因此被广泛应用于储能和能量转换领域。

目前，研究和制备新型高性能超级电容器电极材料已成为超级电容技术研究的重点。

氢氧化镍是一种具有高比表面积、优异的电化学活性以及良好的化学稳定性的材料，被广泛应用于电化学能量存储器件。

然而，氢氧化镍单独作为电极材料，其比电容会受到质子离子传输缓慢和缺乏导电性能的影响，从而限制了储能效率和稳定性。

而碳材料作为一种优异的电导体，在超级电容器中广泛应用。

因此，将氢氧化镍和碳材料进行复合以达到超级电容器电性能的提高是目前研究的热点之一。

二、研究内容本研究将以氢氧化镍为主体材料，通过将氢氧化镍与碳纳米材料进行复合，制备新型氢氧化镍碳纳米复合材料，并对其结构和电化学性能进行分析和研究。

通过扫描电镜、X射线衍射、能量色散X射线光谱、BET等分析技术，探究复合材料的结构形貌和物理化学特性。

同时，采用循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）、电化学阻抗谱（EIS）等技术，对复合材料的电化学性能进行评价和分析，包括比电容、循环稳定性、电阻等。

三、研究意义本研究旨在探究氢氧化镍碳纳米复合材料的制备及其超级电容性能分析。

通过制备出具有优异电化学性能的复合材料，可以为超级电容器的研究和发展提供新思路和理论基础，实现能量转换和储存的高效利用。

同时，将为推广超级电容器在能源领域的应用提供实验性依据和技术支持，促进相关技术的发展和应用。

超级电容器炭电极材料的研究一、本文概述随着全球能源需求的持续增长以及环境问题的日益严重，高效、环保的能源存储技术成为了科学研究的热点。

超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电性能以及长循环寿命等优点，在电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域具有广泛的应用前景。

炭电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接决定了超级电容器的电化学性能。

因此，研究高性能的炭电极材料对于推动超级电容器技术的发展具有重要意义。

本文旨在探讨超级电容器炭电极材料的研究现状、发展趋势以及未来挑战。

我们将对超级电容器的基本原理和炭电极材料的分类进行简要介绍。

随后，重点分析不同类型炭电极材料的制备工艺、结构特征以及电化学性能，并对比其优缺点。

我们还将讨论炭电极材料在超级电容器应用中的实际问题，如循环稳定性、能量密度和功率密度等。

结合当前的研究热点和技术难点，展望超级电容器炭电极材料未来的发展方向，以期为相关领域的研究提供有益的参考和启示。

二、超级电容器炭电极材料概述超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及宽广的工作温度范围等优点，受到了广泛的关注和研究。

而炭材料，因其优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性以及低廉的成本，成为了超级电容器电极材料的理想选择。

炭电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。

活性炭是最早被用于超级电容器的炭材料，其具有高比表面积和良好的孔结构，可以提供大量的电荷存储位置。

碳纳米管因其独特的一维结构和优异的电子传输性能，成为了超级电容器电极材料的研究热点。

石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其超高的比表面积、良好的导电性和化学稳定性，被认为是超级电容器炭电极材料的未来之星。

在超级电容器炭电极材料的研究中，如何提高其比表面积、优化孔结构、改善导电性能以及提高电化学稳定性是研究的重点。

通过物理或化学活化方法，可以增大活性炭的比表面积并改善其孔结构，从而提高其电荷存储能力。

《石墨烯-导电聚合物复合材料的制备及其电化学性能的研究》石墨烯-导电聚合物复合材料的制备及其电化学性能的研究摘要：本文研究了石墨烯与导电聚合物复合材料的制备方法，并对其电化学性能进行了深入探讨。

通过合理的制备工艺，我们成功制备了具有优异导电性能和电化学稳定性的复合材料。

本文详细描述了实验过程、结果及分析，以期为相关研究提供有益的参考。

一、引言随着科技的发展，石墨烯因其独特的物理和化学性质，在材料科学领域引起了广泛的关注。

石墨烯与导电聚合物的复合材料因其在电化学储能、传感器、电磁屏蔽等领域的潜在应用价值，成为了研究的热点。

本文旨在研究石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法及其电化学性能。

二、实验材料与方法1. 材料准备实验所需材料包括石墨烯、导电聚合物（如聚吡咯、聚苯胺等）、溶剂（如乙醇、水等）以及其他添加剂。

2. 制备方法采用溶液混合法或原位聚合法制备石墨烯/导电聚合物复合材料。

具体步骤包括：将石墨烯与导电聚合物在溶剂中混合，并通过搅拌或超声处理使两者充分混合；然后进行聚合反应，得到复合材料。

三、电化学性能测试通过循环伏安法（CV）、恒流充放电测试、电化学阻抗谱（EIS）等方法，对制备的复合材料进行电化学性能测试。

四、结果与讨论1. 制备结果通过优化制备工艺，我们成功制备了具有良好分散性和导电性能的石墨烯/导电聚合物复合材料。

SEM和TEM结果表明，石墨烯与导电聚合物在纳米尺度上实现了良好的复合。

2. 电化学性能分析（1）循环伏安法（CV）测试：复合材料在充放电过程中表现出稳定的电化学行为，无明显极化现象。

（2）恒流充放电测试：复合材料具有较高的比电容和优异的循环稳定性。

在一定的电流密度下，其比电容随循环次数的增加而略有增加，表现出良好的充放电性能。

（3）电化学阻抗谱（EIS）分析：复合材料的内阻较小，电子传递速度快，表现出优异的电导率和良好的电荷传输能力。

通过分析不同因素（如石墨烯含量、聚合条件等）对电化学性能的影响，我们发现合理的复合比例和制备工艺是获得高性能复合材料的关键。

高性能超级电容器电极材料的设计与合成随着能源储存和转换技术的发展，超级电容器作为一种新型的能量存储设备，吸引了广泛的关注。

超级电容器具有高功率密度、长循环寿命和较高的能量密度，被认为是理想的能量储存装置之一。

而超级电容器的性能主要依赖于其电极材料的设计与合成。

本文将探讨高性能超级电容器电极材料的设计与合成的研究进展。

首先，我们需要了解超级电容器的电极材料的需求。

电极材料应该具有高比电容和良好的电导性，以提供足够的储能能力和高电子传导效率。

同时，电极材料还应具备高表面积和良好的电离物吸附能力，以增加电容器的能量密度。

因此，研究人员通常采用多孔结构的碳材料作为超级电容器的电极材料，以提高电容器性能。

其次，设计合成高性能的超级电容器电极材料需要考虑材料的结构和化学成分。

一种常见的方法是利用纳米碳材料，如碳纳米管和石墨烯，作为电极材料的基底。

这些纳米碳材料具有大比表面积和优良的电导性，有助于提高电容器的能量密度和功率密度。

此外，研究人员还可以对纳米碳材料进行表面修饰和功能化，以增加其电离物吸附能力和电容性能。

除了纳米碳材料，金属氧化物也是一种常见的超级电容器电极材料。

金属氧化物具有丰富的氧空位和电子状态，可提供额外的电容储能能力。

研究人员可以利用化学溶液法、水热法等方法来合成纳米尺寸的金属氧化物颗粒，并将其用作电极材料。

此外，研究人员还可以通过控制金属氧化物的晶体结构和形貌，优化其电容性能。

在电极材料的设计与合成中，还有一个关键的问题是电极材料的电化学稳定性。

超级电容器在充放电周期中会经历复杂的电化学反应，因此电极材料需要具有优良的稳定性。

为了提高电极材料的稳定性，研究人员可以将其与其他材料进行组合，形成复合材料。

例如，将纳米碳材料和金属氧化物复合在一起，可以充分发挥两者的优点，并提高电容器的稳定性。

此外，制备工艺也对电极材料的性能起着重要作用。

选择合适的制备方法可以调控材料的物理结构和化学成分，进而优化电化学性能。

05025樊泽文等：用于超级电容器的高性能石墨烯/CoMo（）复合电极文章编号：1001-9731（2021）05-05025-08用于超级电容器的高性能石墨烯/C0M0O4复合电极*樊泽文，任晶，任瑞鹏，吕永康（太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，太原030024）摘要：高性能超级电容器电极材料的开发对于缓解当前的能源危机势在必行，设计和优化混合过渡金属氧化物并研究电化学性能和循环寿命对于超级电容器的实际应用至关重要。

在已开发的混合过渡金属氧化物中，由于电活性材料的导电率差并且与电解质的接触受限制，大大限制了所制备电极的电化学性能。

我们在本文中提出了一种合成石墨烯/CoMoO,纳米片的有利设计，使活性材料均匀生长在三维石墨烯泡沫的网状骨架上，充分提高了活性材料的利用率，其独特的结构也增加了电活性材料与电解质界面之间的接触，使赝电容反应充分发生。

由于石墨烯的高电子传输速率和CoMoO,纳米片的高活性，三维复合电极具有出色的电化学性能，具有相对较高的面积比电容（在1mA cm2下为2737mF cm2）和出色的循环稳定性（在10mA cm2下进行4000次循环后，保留原始比电容的81.76%）这些出色的结果表明,石墨烯/CoMo（O纳米片复合材料具有巨大的潜力，可作为高性能超级电容器的电极材料。

关键词：石墨烯；C o M o（）4；纳米片；超级电容器中图分类号：TB332文献标识码:A0引言全球不可再生能源正在迅速消耗，并带来了各种例如极端气候变化等不利情况。

地球上现有的可再生资源，例如太阳能和风能，在使用中存在一个关键缺陷：不能连续使用。

可持续可再生能源的研究和开发已经迫在眉睫，电池和电化学电容器作为现当今的两大能量存储系统已被广泛研究［3］。

与电化学电池和燃料电池相比，基于电化学电容器的储能设备具有更高的功率密度，更快的充放电能力，更长的循环寿命,以及更高的使用寿命［47］。

其中，基于碳基活性材料的双电层电容器的能量密度非常低，因此当前大多数研究集中在贋电容器上。