范青青 ,張 紅 ,張志明 ,安立寶

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.華北理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 唐山 063210;3.華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

隨著不可再生能源日益枯竭和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,研究和開發(fā)新型能量儲(chǔ)存裝置顯得尤為重要。超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置,它既擁有傳統(tǒng)電容器的快速充放電特征,又具有電池的儲(chǔ)能特性[1]。因其具有功率密度高、安全可靠、污染小、充放電快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有前途的儲(chǔ)能元件之一[2]。電極材料在決定電容器性能中起著關(guān)鍵作用[3]。目前超級(jí)電容器電極材料主要包括碳材料、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物以及復(fù)合材料[1]。納米碳材料一直被認(rèn)為是最有潛力的儲(chǔ)能電極材料,其中石墨烯更是受到了廣大科研人員的青睞。

石墨烯具有特殊的二維平面結(jié)構(gòu),它是由碳原子以sp2雜化的形式按蜂巢晶格排列構(gòu)成的單層二維晶體[4]。石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其擁有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。石墨烯中的載流子以接近光的速度移動(dòng),使其具有超高的電子遷移率。石墨烯還具有顯著的比表面積、優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)性能,因而成為超級(jí)電容器電極的熱門材料[1,5]。

然而,在制備基于石墨烯的電極過程中,由于范德華力的作用,使得石墨烯片產(chǎn)生團(tuán)聚,導(dǎo)致石墨烯電極的比表面積減小,孔隙率降低,阻礙了離子的擴(kuò)散,從而降低石墨烯的比電容[6-7]?；瘜W(xué)摻雜是改變石墨烯電化學(xué)性質(zhì)的有效方法[8]。雜原子的摻雜會(huì)使石墨烯產(chǎn)生法拉第贗電容,進(jìn)一步增大材料的比電容[9-10]。在各種雜原子中,氮原子能夠與碳原子形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵;同時(shí),C—N 鍵和C—C 鍵的長度相當(dāng),摻雜氮原子對(duì)石墨烯晶格畸變的影響相對(duì)較小,氮原子更容易摻雜到石墨烯中[11-12]。氮原子通常以吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等形式出現(xiàn)在氮摻雜石墨烯晶格中。其中,吡啶氮、吡咯氮可以產(chǎn)生法拉第贗電容,石墨氮?jiǎng)t可以提高材料的導(dǎo)電性[13]。Das 等[14]制備了氮摻雜還原氧化石墨烯(NRGO),與未摻雜氮原子的還原氧化石墨烯(RGO)相比,NRGO 的比電容與循環(huán)穩(wěn)定性均優(yōu)于RGO。Jeong 等[15]將制備的氮摻雜石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料,其比電容是本征石墨烯電極材料的4 倍。因此,為這種二維材料設(shè)計(jì)摻雜方法將是石墨烯未來應(yīng)用的關(guān)鍵[16]。本文介紹了水熱法、球磨法、微波輻射法等幾種經(jīng)濟(jì)簡便的石墨烯摻雜方法,對(duì)這幾種方法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了綜述,并介紹了以氮摻雜石墨烯為電極材料的超級(jí)電容器的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 氮摻雜石墨烯的制備方法

在石墨烯中摻雜氮的方法有很多,例如化學(xué)氣相沉積法[17]、電弧放電法[18]、模板法[19]、熱退火法[20]等,然而這些方法具有操作復(fù)雜、生產(chǎn)成本高以及對(duì)環(huán)境影響大等缺點(diǎn)[21]。近些年,科研人員致力于研究經(jīng)濟(jì)簡便的方法來制備氮摻雜石墨烯,如水熱法[22]、球磨法[23]、微波輻射法[24]等。以下將對(duì)這三種方法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行綜述。

1.1 水熱法

水熱法是在密封的壓力容器內(nèi),以水作為溶劑,使粉體在高溫高壓下溶解和再結(jié)晶的一種制備材料的方法。該方法操作簡單,且利于環(huán)保。近年來,氧化石墨烯與氮前驅(qū)體材料的水熱反應(yīng)被認(rèn)為是獲得高含量氮摻雜石墨烯的主要制備方法之一[25]。

蘇鵬等[26]在配制好的氧化石墨烯(GO)分散液中,按不同比例加入尿素,在160 ℃、3 h 的水熱條件下,合成了不同氮元素含量的氮摻雜石墨烯,并以其作為超級(jí)電容器電極材料。他們發(fā)現(xiàn)所制得的氮摻雜石墨烯薄片呈現(xiàn)出相互連接的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),有利于電解液與材料表面充分接觸。電化學(xué)測試結(jié)果表明,含氮量為7.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氮摻雜石墨烯的電極材料性能最佳,比電容可達(dá)184.5 F/g。在進(jìn)行1200 次恒流充放電循環(huán)后,比電容仍可維持在87.6%,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

Chen 等[27]以磷酸脲(UP)為氮源,與GO 溶液混合,采用水熱法制備了氮摻雜石墨烯氣凝膠(UPGA)。UPGA 呈現(xiàn)出三維多孔結(jié)構(gòu)。隨著磷酸脲的含量增加,UPGA 的孔隙增加;當(dāng)磷酸脲與GO 的質(zhì)量比為30 ∶1(UPGA-30)時(shí),所形成的孔隙和孔徑最佳,而且表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。電化學(xué)測試結(jié)果顯示,在1 A/g 的電流密度下測得的比電容高達(dá)196.7 F/g。

Ahmed 等[28]將氨水溶液與GO 分散液混合,采用水熱法制得氮摻雜石墨烯水凝膠(MGHG),制備過程如圖1 所示。場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像顯示,3D 石墨烯結(jié)構(gòu)內(nèi)有大量的孔隙,這些孔隙增大了材料的比表面積。分析同時(shí)表明MGHG 具有高達(dá)318.226 m2/g 的比表面積,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨烯的比表面積。氮原子的摻入為石墨烯材料提供了新的化學(xué)活性位點(diǎn),并有助于形成相互連接的多孔結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)了法拉第反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移,使比電容增加。實(shí)驗(yàn)所測得的最大比電容為595.7 F/g。

圖1 氮摻雜石墨烯水凝膠(MGHG)制備過程[28]Fig.1 Preparation process of nitrogen-doped graphene hydrogel(MGHG)[28]

水熱法可以在GO 還原的過程中同時(shí)對(duì)其進(jìn)行摻雜,縮短了摻雜時(shí)間,且制備的產(chǎn)物粒度均勻,分散性好。摻雜的氮原子大多以吡咯氮的形式存在于石墨烯晶格中,小部分表現(xiàn)出吡啶氮和石墨氮的形式。上述實(shí)驗(yàn)研究皆表明,氮摻雜在改善石墨烯材料的比電容和循環(huán)穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。

1.2 球磨法

球磨法是利用球磨產(chǎn)生的機(jī)械力對(duì)石墨進(jìn)行剝離,從而制備石墨烯的一種方法。球磨機(jī)在工作過程中,由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械力帶動(dòng)球磨罐轉(zhuǎn)動(dòng),使罐中的球與球或球與罐內(nèi)壁產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的碰撞力和摩擦力作用在石墨表面,從而將石墨剝落成小而薄的片狀[29]。球磨工藝不僅可以將石墨剝離成多層石墨烯納米片,同時(shí)還可以將氮元素?fù)诫s到石墨烯邊緣[30]。將含氮物質(zhì)與石墨一起進(jìn)行球磨處理,高速旋轉(zhuǎn)的球之間會(huì)產(chǎn)生剪切力使石墨C—C 鍵斷裂,周圍的含氮基團(tuán)會(huì)與之結(jié)合,氮原子被摻入石墨烯納米片邊緣[31]。

楊子等[32]以鱗片石墨(圖2(a))和尿素為原料,經(jīng)過球磨處理,得到了氮含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.41%的氮摻雜石墨烯納米片。在該實(shí)驗(yàn)中,作為摻雜劑的尿素在球磨處理過程中起到助磨作用。從圖2(b)、(c)所示的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像中能夠看出,大塊鱗片石墨在機(jī)械力的作用下分裂成尺寸均勻的小塊,其中有單層石墨烯存在,說明在球磨剪切力的作用下,石墨被成功分離。摻雜的氮原子大多是吡啶氮的形式,其余為石墨氮。經(jīng)電化學(xué)性能測試后,能夠看出在不同掃描速率下所得的循環(huán)伏安曲線具有一定的矩形形狀,其形態(tài)也保持一致;在不同電流密度下所測得的充放電曲線接近等腰三角形,其形態(tài)基本一致,說明氮摻雜石墨烯納米片具有良好的雙電層電容性能和循環(huán)可逆性;在1 A/g 的電流密度下,測得的比電容為201 F/g,結(jié)果表明材料的電化學(xué)性能較好。

圖2 (a)鱗片石墨和(b,c)氮摻雜石墨烯納米片SEM 圖[32]Fig.2 SEM images of (a)flake graphite and(b,c) nitrogen-doped graphene nanosheets[32]

Liu 等[30]同樣以石墨和尿素為原料,在氬氣環(huán)境下進(jìn)行球磨處理,制備了氮含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.15%的氮摻雜石墨烯(NGNS),制備過程如圖3 所示。其中,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.14%的氮原子呈現(xiàn)出吡咯氮的形式,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.25%的氮原子為吡啶氮,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.61%的氮原子為石墨氮。電化學(xué)測試顯示,在50 mA/g 電流密度下循環(huán)100 次時(shí),NGNS 電極材料的比電容為550 mAh·g-1。在0.05～2 A/g 的不同電流密度下進(jìn)行測試,比電容一直穩(wěn)定在200 mAh·g-1以上。NGNS 電極材料表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

圖3 球磨石墨和尿素制備氮摻雜石墨烯原理圖[30]Fig.3 Schematic diagram of preparation of nitrogen-doped graphene by ball milling graphite and urea[30]

三聚氰胺也是一種摻氮的常用材料,氮含量高達(dá)66.7%。Xue 等[33]將三聚氰胺和石墨進(jìn)行球磨處理,制備了氮摻雜石墨烯納米片,氮含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.4%,其中氮原子主要以吡啶氮的形式存在于石墨烯晶格中。球磨后的石墨顆粒尺寸從30 μm 減小至1 μm。在經(jīng)過2000 次循環(huán)測試后,比電容無明顯衰減,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在作為超級(jí)電容器電極材料方面有很大的潛力。

球磨法操作簡單,生產(chǎn)成本低,生產(chǎn)效率高[34],可用于大規(guī)模制備氮摻雜石墨烯。但球磨時(shí)間和球磨速度會(huì)影響氮摻雜石墨烯的形貌和性能,且制備過程中會(huì)引入雜質(zhì),因此需要合理選擇球磨工藝參數(shù),優(yōu)化工藝路線[35]。

1.3 微波輻射法

微波輻射法是一種新型的氮摻雜石墨烯的制備方法,該方法可以在幾分鐘之內(nèi)快速合成氮摻雜石墨烯。在微波加熱的過程中,石墨烯材料瞬時(shí)產(chǎn)生高溫,存在于石墨烯表面的含氧官能團(tuán)會(huì)脫離石墨烯表面,同時(shí)氮原子在高溫作用下?lián)饺氲绞┚Ц裰?從而實(shí)現(xiàn)了氮摻雜[36]。

Lee 等[37]首先制備了石墨插層化合物(GICs),并以NaNH2為氮源,采用溶劑熱法合成了含氮的石墨插層化合物(N-GICs),然后在N2環(huán)境下微波加熱NGICs,成功制得氮摻雜石墨烯,制備原理如圖4 所示。氮摻雜石墨烯的氮含量隨微波輻射功率的增大而增大,在輻照功率為750 W 時(shí),所檢測出的氮含量最高可達(dá)8.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),氮原子主要呈現(xiàn)出吡咯氮的形式。與未摻雜石墨烯相比,氮摻雜石墨烯的比電容更高,最大比電容為200 F/g。

圖4 微波輻射制備氮摻雜石墨烯原理圖[37]Fig.4 Schematic diagram of preparation of nitrogen-doped graphene by microwave irradiation[37]

微波輻射法具有加熱速度快,加熱均勻,易于控制且可以對(duì)介質(zhì)進(jìn)行選擇性加熱等特點(diǎn),有利于降低生產(chǎn)成本,縮短操作時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,為大規(guī)模制備氮摻雜石墨烯提供了一種非常有前途的方法。

1.4 其他方法

除了上述三種方法,研究人員還采用其他方法來制備氮摻雜石墨烯。例如,Lee 等[38]以革蘭氏陰性大腸桿菌為氮源,采用一步炭化法成功制備了細(xì)菌氮摻雜氧化石墨烯(E@GO)。電化學(xué)性能測試表明,E@GO電極材料的比電容高達(dá)237 F/g;在0.5 A/g 的電流密度下,循環(huán)5000 次后,比電容無明顯衰減。E@GO比電容的提高主要?dú)w因于這些細(xì)菌促進(jìn)了材料在電解質(zhì)溶液中的潤濕性。Sun 等[39]研究利用射頻感應(yīng)耦合等離子體,以尿素為氮源制備了氮摻雜石墨烯(UR-NG)。在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(EMIMBF4)電解液中進(jìn)行電化學(xué)測試,在1 A/g 的電流密度下,比電容為205 F/g,在5 A/g 的電流密度下循環(huán)5000 次后,比電容仍保持在98.03%;在KOH 溶液中,在1 A/g 的電流密度下,比電容為359 F/g,在3 A/g 的電流密度下循環(huán)10000 次后,比電容保持在79.6%。作為超級(jí)電容器電極材料,UR-NG 具有高比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。沈進(jìn)冉等[40]將尿素與GO分散液混合,并進(jìn)行冷凍干燥,將處理好的粉末在氬氣環(huán)境下進(jìn)行高溫?zé)徇€原,得到氮摻雜石墨烯。在1 A/g的電流密度下,經(jīng)850 次循環(huán)后,比電容仍能保持584 mAh·g-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種氮摻雜石墨烯具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能,在作為鋰離子電池電極材料方面極具應(yīng)用前景。

2 氮摻雜石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

超級(jí)電容器可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)和電極上發(fā)生反應(yīng)的不同,分為對(duì)稱超級(jí)電容器和非對(duì)稱超級(jí)電容器。若兩電極的組成相同,電極的反應(yīng)相同方向相反,那么它就是對(duì)稱超級(jí)電容器,若它的電極組成不同或電極的反應(yīng)不同,那它就是非對(duì)稱超級(jí)電容器[41]。近年來,氮摻雜石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料的實(shí)驗(yàn)研究表明,氮原子摻雜可以改變石墨烯平面內(nèi)的電荷分布[42],有利于調(diào)節(jié)其電化學(xué)性能,拓展其在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 對(duì)稱超級(jí)電容器

Chen 等[27]報(bào)道了以UPGA-30 為正負(fù)極材料組裝成對(duì)稱型超級(jí)電容器。UPGA-30 良好的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)增大了材料與電解液的潤濕性,適度的氮原子摻雜提高了石墨烯的電荷密度,從而提高了電極材料的電化學(xué)性能。在EMIMBF4電解液中測試其電化學(xué)性能,結(jié)果顯示超級(jí)電容器在功率密度為0.9 kW/kg 時(shí),能量密度為97.2 Wh/kg。即使功率密度增長到8.7 kW/kg時(shí),超級(jí)電容器能量密度仍達(dá)69 Wh/kg。在1 A/g 的電流密度下循環(huán)5500 次時(shí),比電容仍保留初始比電容的78.3%。

Ahemd 等[28]利用制備的MGHG 材料作為正、負(fù)極,組裝了一個(gè)對(duì)稱超級(jí)電容器。MGHG 的三維多孔結(jié)構(gòu)增大了材料的比表面積。經(jīng)電化學(xué)測試表明,MGHG 作為超級(jí)電容器電極材料在功率密度為1000 W/kg 和7000 W/kg 時(shí)具有的能量密度分別為30 Wh/kg 和12 Wh/kg。氮摻雜石墨烯水凝膠作為儲(chǔ)能材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

Dai 等[43]將GO 分散液與水合肼攪拌30 min,并在160 ℃的溫度下高壓密封2 h,制得氮摻雜還原氧化石墨烯(N-rGO),制備過程如圖5 所示。N-rGO 作為電極材料,電流密度為1 A/g 時(shí),比電容為390 F/g。以N-rGO 作為正負(fù)電極組裝的對(duì)稱超級(jí)電容器,在0～3.5 V 電勢窗口下,掃描速率高達(dá)200 mV/s 時(shí)的循環(huán)伏安曲線幾乎都保持矩形;在不同掃描速率下的恒流充放電曲線都近似對(duì)稱三角形,說明該電極材料具有優(yōu)異的電容性能。在經(jīng)過20000 次循環(huán)后,仍然保留初始比電容的96.6%,顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖5 氮摻雜還原氧化石墨烯制備過程[43]Fig.5 Preparation process of nitrogen-doped reduced graphene oxide[43]

He 等[44]采用Ni(NO3)2為蝕刻劑,以N2氣體為摻雜劑制備了氮摻雜石墨烯(PG-Ni)。經(jīng)測試,PG-Ni具有較小的孔隙和較大的孔密度,比電容可達(dá)575 F/g,且具有良好的循環(huán)性能。以PG-Ni 作為電極材料組裝的對(duì)稱超級(jí)電容器,在功率密度為427 W/kg 時(shí),最大能量密度為36.8 Wh/kg。該方法為制備石墨烯基超級(jí)電容器電極提供了新思路。

Arkhipova 等[45]以乙腈和苯的混合物為前驅(qū)體,采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備了氮摻雜介孔石墨烯納米片(N-GNFs),氮含量高達(dá)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.7%。以N-GNFs 作為對(duì)稱超級(jí)電容器電極材料,在離子液體電解質(zhì)中測得的比電容較大,掃描速率為5 mV/s 時(shí)的比電容達(dá)到167 F/g。在功率密度為0.74 kW/kg時(shí),能量密度達(dá)到46.3 Wh/kg,在功率密度高達(dá)9.8 kW/kg 時(shí),能量密度仍高達(dá)36.5 Wh/kg。

以上這些研究表明,氮摻雜和介孔結(jié)構(gòu)對(duì)電極材料的電化學(xué)性能改善具有重要意義。氮原子的摻入增強(qiáng)了材料的法拉第贗電容,豐富的孔隙結(jié)構(gòu)增大了電極材料的比表面積,改善了電極材料和電解液之間的潤濕性,使氮摻雜石墨烯具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

2.2 非對(duì)稱超級(jí)電容器

非對(duì)稱超級(jí)電容器是電化學(xué)超級(jí)電容器和贗電容超級(jí)電容器的復(fù)合產(chǎn)物,它結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中可以滿足更高的能量密度和功率密度[46]。

Chen 等[47]將三聚氰胺海綿與氧化石墨烯溶液混合煅燒制成氮摻雜石墨烯骨架(NGF),然后采用水熱法和低溫煅燒在氮摻雜石墨烯骨架上生長NiCo2O4(NCO),制成NCO/NGF 復(fù)合材料,制備過程如圖6所示。NCO/NGF 復(fù)合材料具有高的比表面積和豐富的孔隙類型。以NCO/NGF 復(fù)合材料為電極材料,在電流密度為1 A/g 時(shí),測得的比電容高達(dá)1198 F/g,在20 A/g 時(shí)比電容仍有634 F/g。將NCO/NGF 為正極、活性炭(AC)為負(fù)極組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器與NCO 為正極、AC 為負(fù)極組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器進(jìn)行比較,結(jié)果表明NCO/NGF 電極的電化學(xué)活性明顯優(yōu)于NCO 電極。此外,該超級(jí)電容器還展示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性,在經(jīng)過4000 次的循環(huán)后,比電容仍保留初始比電容的91%。因此,NCO/NGF 復(fù)合材料可以作為非對(duì)稱超級(jí)電容器的電極材料。

圖6 NCO/NGF 電極制備過程[47]Fig.6 Preparation process of NCO/NGF electrodes[47]

Sun 等[48]采用水熱法和退火工藝制備了Co-Ni 焦磷酸鹽/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。該材料具有較高的比電容和優(yōu)異的速率性能。以該復(fù)合材料為正極、AC為負(fù)極所組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器電勢窗口擴(kuò)寬到0～1.6 V。在功率密度為4.89 kW/kg 時(shí),能量密度為13.6 Wh/kg。在5000 次循環(huán)后比電容保持率為70%,具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

Hong 等[49]在氮摻雜還原氧化石墨烯(PN-rGO)上原位生長NiCo2S4(NCS)納米片,制備了PN-rGO/NCS 復(fù)合材料。電化學(xué)性能測試結(jié)果表明,PN-rGO/NCS 作為電極材料,比電容高達(dá)1687 F/g 且擁有超低的電阻,比NCS 材料具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能。以PN-rGO/NCS 為正極、AC 為負(fù)極組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器在功率密度為104.4 W/kg 時(shí),能量密度高達(dá)111.3 Wh/kg。

對(duì)稱型超級(jí)電容器的電勢窗口受限于電極材料的電勢窗口,從而限制了其能量密度和功率密度;而非對(duì)稱型超級(jí)電容器的電勢窗口是兩電極的電勢窗口之和[46],兩電極不同電勢窗口被充分利用,提高了非對(duì)稱型超級(jí)電容器的最大工作電壓和能量密度[50-51]。因此,非對(duì)稱型超級(jí)電容器成為近年來研究的重點(diǎn)。綜上所述,氮摻雜石墨烯作為超級(jí)電容器的電極材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了水熱法、球磨法、微波輻射法等制備氮摻雜石墨烯的方法和氮摻雜石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料的應(yīng)用進(jìn)展,主要結(jié)論如下:(1)氮摻雜石墨烯相較于本征石墨烯擁有更大的比表面積和更優(yōu)異的電化學(xué)性能,可以進(jìn)一步滿足超級(jí)電容器高能量密度和高功率密度的要求;(2)水熱法、球磨法、微波輻射法使得氮摻雜石墨烯的制備更加經(jīng)濟(jì)簡便,為大規(guī)模制備氮摻雜石墨烯提供了有效的途徑。

近期對(duì)于氮摻雜石墨烯用作超級(jí)電容器電極材料的研究雖然取得了很大進(jìn)展,但目前研究還多處于實(shí)驗(yàn)階段,未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化,并且在氮摻雜石墨烯制備過程中如何精準(zhǔn)控制氮元素的含量和氮原子構(gòu)型也是目前仍待解決的一大問題。因此,不斷完善和研發(fā)新工藝、新材料是未來超級(jí)電容器電極材料發(fā)展的關(guān)鍵。相信隨著研究的不斷深入,氮摻雜石墨烯的制備方法會(huì)越來越成熟,超級(jí)電容器也會(huì)在航空航天、交通工具、軍事裝備等諸多領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。