近日，印度佩里亚尔大学的Ramesh Rajendran团队在《Surfaces and Interfaces》上发表了题为“Synthetic nanoarchitectonics with ultrafast Joule heating of graphene-based electrodes for high energy density supercapacitor application”的论文，研究了通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术快速制备高性能石墨烯基超级电容器电极的方法，展示了该技术在实现少层石墨烯的高效合成和显著提升电极电化学性能方面的潜力。
研究背景
1.全球能源需求的增长：随着全球对能源需求的不断增加，材料科学和技术领域正在积极探索高效的能量存储设备，以满足这一需求。
2.超级电容器的应用潜力：超级电容器因其快速充放电能力和较高的能量存储能力，逐渐成为一种有前景的能量存储解决方案。
3.电极材料的挑战：目前超级电容器的广泛应用受到电极材料性能的限制，理想的电极材料应具备高电容、良好的循环稳定性和低成本。
4.碳基材料的优势：碳基材料因其优异的导电性和多样的形态，被认为是超级电容器电极的理想材料，其中石墨烯因其高导电性和大比表面积而备受关注。
5.传统石墨烯制备方法的局限性：传统的石墨烯制备方法，如化学氧化、液相剥离和化学气相沉积（CVD），存在成本高、产率低和工艺复杂等问题，限制了其工业化应用。
6.闪蒸焦耳加热（FJH）技术的应用：FJH技术作为一种新兴的石墨烯大规模制备方法，以其高产率、简单操作和高质量的产品，展示出广泛的应用前景。
研究方法
1.碳纳米点的制备：通过微波辅助分解柠檬酸和尿素制备碳纳米点（CNDs），为石墨烯的快速合成提供前体材料。
2.闪蒸焦耳加热（FJH）处理：对CNDs进行FJH处理，在碳纤维布基底上快速形成石墨烯层。FJH的电流强度设置为50 A和100 A，闪蒸时间为500毫秒。
3.电极材料的表征：通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段对电极的结构和形貌进行表征。
4.电化学性能测试：通过循环伏安法（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）测试电极的电化学性能，以评估其在超级电容器中的应用潜力。
图1. 利用闪蒸焦耳加热(FJH)方法制备超级电容器用石墨烯电极的示意图
研究结果
1.石墨烯的高质量合成：经过100 A电流强度FJH处理的电极（F100）展现出更高的结晶度和更有序的石墨化结构，形成了高质量的少层石墨烯。
2.电化学性能的提升：F100电极在1 A/g电流密度下，表现出279 F/g的高比电容，显著优于未处理和50 A电流强度处理的电极。
3.对称超级电容器（SSC）的优异表现：由F100电极组装的SSC，在1 A/g电流密度下，表现出106.5 F/g的比电容，并在1000 W/kg功率密度下展现44.4 Wh/kg的能量密度。
4.长循环稳定性：F100电极在5000次充放电循环后仍保持98.5%的电容，显示出优异的循环稳定性。
展望
1.FJH技术的应用前景：FJH技术是一种快速、可扩展且成本效益高的制备基于石墨烯的超级电容器电极的有效方法。
2.未来的优化方向：该技术有望进一步优化，以实现更高性能的电极材料，并在大规模工业应用中发挥重要作用。
3.广泛的应用潜力：基于FJH技术的石墨烯材料有望在其他能量存储设备和电子器件中找到应用，为未来的能量存储技术发展提供新的解决方案。
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104707
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