中國粉體網訊 近日，吉林化工學院江麗麗副教授團隊在《Carbon》期刊發表名為“Functionalized Graphene Microspheres for High Volumetric Energy Density Supercapacitors”的論文，通過臭氧氧化、過氧化氫蝕刻、碳納米管摻入、噴霧干燥以及對具有豐富邊緣位點的氧化石墨烯帶（IGOR）進行碳化等工藝合成了功能化石墨烯微球（FGR）。
什么是功能化石墨烯微球？
功能化石墨烯微球是一種通過化學修飾或物理復合手段賦予特定性能的三維結構材料。其結構由多層石墨烯片通過π-π相互作用、范德華力或化學合鍵自形成組裝球狀體，內部常呈現多孔網絡，比表面積可達2600m/g2，具備高比表面積、優異導電性、良好機械性能以及可功能化修飾等特性。
高比表面積利于吸附、催化等反應，優異導電性在電子和能源領域有優勢，良好機械性能使其能承受一定外界壓力和變形，功能化過程通過引入羥基、羧基等官能團或復合金屬氧化物等成分，使其增強具備的化學活性、選擇性吸附能力和性能催化。
論文導讀
微型超級電容器由于其快速的充放電速率和長期的循環穩定性，受到了可穿戴電子設備和電動汽車廣泛需求的熱烈關注。因此，設計和開發具有高堆積密度和出色體積比電容的電極材料至關重要。石墨烯因其高比表面積、出色的導電性和高理論比電容，一直被視為超級電容器電極材料的有力候選者。然而，在制備和電化學循環過程中，石墨烯容易發生團聚，導致其表面利用率降低。為解決這些問題，研究人員采取了諸如在石墨烯納米片層之間插入“間隔物”或采用多孔、褶皺和帶狀結構設計等策略，有效減少了石墨烯納米片的聚集。這些方法有助于形成離子擴散通道，從而實現快速的離子和電子傳輸。
功能化石墨烯微球制備過程：氧化石墨烯帶(IGOR)是使用“噴霧-快速冷凍”技術獲得的。隨后，將H2O2(7.5ml)和HNO3(300μl)加入到300毫升IGOR(0.5mg/ml)中，然后進行30分鐘的超聲處理。然后將混合物進行臭氧鼓泡0.5小時，并浸入100℃的水中4小時。冷卻至室溫后，摻入4.5mg碳納米管(CNT)得到懸浮液，通過混合物理或化學鍵合將碳納米管（CNTs）氧化與石墨烯復合，形成三維導電網絡。再將含CNTs的氧化石墨烯懸浮液通過霧化器形成微小液滴，在高溫氣流中干燥，快速形成球形多孔微結構球；最終在惰性氣氛（如N2或Ar）中進行高溫（600~1000℃）碳化處理，去除殘留含氧基團，恢復石墨烯的導電性，同時保留邊緣位點的結構缺陷。
功能化的石墨烯微球(FGR)是通過以上一系列具有豐富邊緣位點的石墨烯氧化物帶(IGOR)的功能化過程制備的。通過引入相當數量的含氧基團、微調分級孔結構、構建高效的內部導電網絡以及實施致密化過程，成功獲得了高體積性能的石墨烯微球。
圖1.FGR、GR和GS樣品制備過程的示意圖
圖2. （a）FGR、GR、GS、RGO粉末的堆積密度和光學照片。（b、c）FGR的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和（d、g）透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（e、f）GR的掃描電子顯微鏡圖像和（h、i）GS的掃描電子顯微鏡圖像。
圖3. (a) FGR、GS和RGO的拉曼光譜。(b) FGR、GR、GS和RGO的FTIR光譜。(c) XPS光譜和(d) FGR和GS的氧原子百分數。
結論
本研究通過臭氧氧化、H2O2蝕刻、碳納米管導電劑混合、噴霧干燥和碳化等一系列氧化石墨烯功能化工藝，成功制備了具有高體積性能的功能化石墨烯微球。
所得的FGR提供了眾多活性位點、高效的電子和離子傳輸通道、穩定的含氧官能團以及緊湊的結構。這些特性使FGR能夠實現高體積電容和出色的倍率性能，高負載量和堆積密度。由FGR組裝的對稱超級電容器（FGR//FGR）在120.9W/L時可提供30.2Wh/L的高體積能量密度。這些特性使得基于功能化石墨烯微球（FGR）的超級電容器在工業應用中具有高度相關性，包括便攜式電子產品、電動汽車和電網能源系統。可擴展的合成方法和穩健的設計進一步突顯了其在工業中廣泛應用的潛力。
參考來源：
Carbon、材料分析與應用
（中國粉體網編輯整理/留白）
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