成果简介
石墨烯气凝胶比二维石墨烯更通用，因为它们具有更高的比表面积和机械稳定性。由于表面极性和电子传输受限，石墨烯气凝胶的电化学性能不佳。石墨烯复合气凝胶重量轻，三维多孔。石墨烯或石墨烯化合物材料保持柔韧性、导电性和机械耐久性，使其在许多应用中都很有用。这些材料具有良好的化学吸收性、耐热性和导电性。工程师和研究人员关注超级电容器的耐用性、功率密度以及承受多次充电和放电循环的能力。石墨烯的高导电性、大表面积、稳定的温度以及出色的机械和化学质量使超级电容器受益。单层石墨烯因其六方碳原子而不同寻常。石墨烯的晶格结构和孔隙非常有趣，因为它们提高了循环稳定性、电子传输和性能。石墨烯超级电容器采用复合气凝胶或三维网络作为电极。
本文，哈里发大学Tholkappiyan Ramachandran、韩国嘉泉大学 Md Moniruzzaman、韩国岭南大学Sang Woo Joo 等研究人员 在《Journal of Alloys and Compounds》期刊发表名为“From graphene aerogels to efficient energy storage: current developments and future prospects”的综述，介绍了三维石墨烯气凝胶的基础知识、生产方法，并解释了石墨烯复合气凝胶结构改性如何提高电池和超级电容器的性能。石墨烯气凝胶的三维多孔结构可以容纳金属、双金属和非金属化合物和原子。石墨烯复合气凝胶的微观结构、孔特性、相组成和晶格结构改善了电导率、吸附和氧化还原性。这项研究强调了石墨烯气凝胶复合材料作为先进储能系统候选者的潜力，为电池和超级电容器技术提供了重大进步。此外，其表面化学的可调性为增强离子扩散和电荷存储能力提供了机会。本文为开发高效和可持续的储能解决方案以追求更清洁和稳健的能源格局提供了宝贵的见解。
图1.GCA 及其在电池和超级电容器中的应用概述。
小结与展望
石墨烯是一种纳米材料，在过去十年中经历了广泛的转变，产生了各种形式、变化、混合物和复合材料，可用于各种用途。气凝胶是由三维石墨烯制成的多孔材料，引起了人们的极大兴趣。广泛的表面积和内部间距的存在对于这些结构是有利的。直接合成的三维 GA 和由二维石墨烯和三维多孔网络组成的混合结构的普及是显而易见的。用于合成石墨烯气凝胶的方法包括自组装、交联、CVD 生长和 3D 打印。此外，GA 有可能单独或与其他碳化合物一起用作 EDLC 的电极材料。这增强了磁导率、独特的表面积、导电性，并添加了氮、磷、硫和溴等易于掺杂/共掺杂的非金属。GA 用作赝电容器的阳极。用导电聚合物和金属化合物改性的 GA 有可能提高电容器的性能和性能，是双层电容器的可行替代品。GCA 保持了石墨烯的其他理想特性，包括其低热膨胀系数、出色的导电性和机械柔韧性。它可以适用于需要特定材料特性的几个增长领域，例如生物医学、隔热、防火、传感、储能和环境净化。通过受控合成和修饰定制 GCA 特性的能力使其成为下一代技术的理想选择。
除了用于储能外，GCA 还可以用作燃料电池的催化载体和水净化的高效吸附剂，为环境挑战提供环保解决方案。用现有方法生产 GCA 具有挑战性;然而，可以采用化学剥离工艺来实现石墨烯及其衍生物的大规模生产。石墨烯及其衍生物的工业规模高效生产需要一个更快速的准备过程。控制石墨烯层之间的冰晶形成导致气凝胶中孔径的改变。温度梯度对实现一致的孔隙结构构成了挑战。因此，实现对产品形状和尺寸分布的控制是一项艰巨的挑战。此外，大多数研究都是在实验室环境中进行的。为了扩大调查范围，研究人员必须将他们的发现与工业行业的要求相结合。此外，开发可扩展、经济高效的方法来合成高质量的石墨烯气凝胶对于弥合研究和商业应用之间的差距至关重要。由于潜在应用的出现，对 GCA 的研究正在多个领域扩展，包括开发能够检测高度敏感细胞的生物传感器和制造电磁屏蔽材料以减少电磁干扰。GA 和 GCA 可能会为增强性能提供未来的潜力，从而带来多种可能性和挑战。石墨烯气凝胶的未来在于其适应性和多功能性，使其成为储能系统和环境可持续发展工作中不可或缺的一部分。
文献：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177248
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