近十年超级电容器领域的重大突破

石墨烯基电极的超级电容器在室温下显示出优异的比能量密度85.6Wh/kg，80℃下可达136Wh/kg，这些能量密度可以和镍金属氰化物电池的值相比。制备弯曲石墨烯片层重要的关键是要充分利用内在比电容和单层石墨烯的比表面积。弯曲形态确保了中孔的形成在大于4V的工作电压下可以通过离子液体。

通讯作者张博增，纳米石墨烯专家，中央千人计划专家。美国莱特州立大学(Wright State University)的工程与计算科学学院教授。1982-2002在Auburn University曾先后担任助理研究员、教授，2002-2005在North Dakota State University任教授，2005至今，在美国莱特州立大学(Wright State University)的工程与计算科学学院任教授和院长。主要从事材料科学与新材料制备方面的研究工作，获得100多项美国专利，在国际会议和学术杂志上发表300多篇学术论文，曾任Science and Engineering of Composite Materials, an international journal、International Materials Review杂志国际编委和the Journal of Manufacturing Systems and the Journal of Manufacturing Processes杂志副主编，兼职于美国多个大学、研究单位和国际学术组织。

文献五Ni(OH)2 Nanoplates Grown on Graphene as Advanced Electrochemical Pseudocapacitor Materials.

( J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja102267j) 被引频次：1118

图6 Ni(OH)2/GS 复合材料的SEM和TEM图片

Ni(OH)2纳米晶体上生长不同氧化程度的石墨烯片层作为电化学赝电容材料是一种十分有潜力的储能应用材料。单晶Ni(OH)2六边形纳米片直接生长在轻度氧化、表面导电的石墨烯片层上，复合材料显示出高的比电容约为1335F/g和优异的循环性能。高的比电容和快速的充放电能力很有前途应用于能量密度和功率密度超高的超级电容器。预制备Ni(OH)2六边形纳米片和石墨烯进行一个简单的物理混合显示出较低的比电容，凸显出直接在石墨烯纳米材料的重要性，赋予了活性纳米材料和导电石墨烯网络之间紧密的相互作用和有效电荷传输。单晶Ni(OH)2六边形纳米片直接生长在石墨烯片层上的性能要优于在小的Ni(OH)2纳米颗粒上生长高度氧化的、电绝缘的网状石墨烯。

通讯作者 戴宏杰，男，1966年5月出生于湖南邵阳，斯坦福大学终身教授，国际著名纳米技术专家，湖南大学客座教授。2009年当选美国科学与艺术学院院士，2011年当选美国科学促进会会士，2004年获得裘利斯史普林格应用物理奖，2011年2月10日，入选2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单，总排名第7，华人排名第1。长期从事碳纳米材料的生长合成、物理性质研究、纳米电子器件研发，以及纳米生物医学以及能源材料等方面的研究，在上述领域都取得了卓越的成就，并获得了广泛的影响，是国际碳纳米材料研究领域的领军人物之一。

文献六Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene.

(Science, 2011, DOI: 10.1126/science.1200770) 被引频次：2253

图7 微波剥离还原GO示意图

超级电容器在广泛使用的过程中由于其低能量密度和相对较高的有效的串联电阻而受到限制，使用电化学活化方法来剥离石墨烯，研究者们合成了一种比表面积高达3100m2/g的多孔碳，这种材料具有高的导电率和低的氧氢含量，靠sp2键结合的碳具有连续且高度弯曲的三维网状结构，原子层墙最初的形成厚度为0.6-5纳米宽度的孔隙，使用这种碳材料组装的两电极超级电容器有着高的质量电容和高能量密度，而且文章中的方法甚至可以发展到产业化中。

注：【通讯作者Ruoff教授，同文献1】

文献七3D Graphene_Cobalt Oxide Electrode for High-Performance Supercapacitor and Enzymeless Glucose Detection.

(ACS Nano, 2012, DOI: 10.1021/nn300097q) 被引频次：689

图8 3D石墨烯/Co3O4纳米线复合材料

文章通过两步路线合成复合材料，一步是简单的水热合成过程，二是Co3O4纳米线化学气相沉积原位生长在三维石墨烯泡沫上，制备出稠密的直径统一，结晶度高的 Co3O4纳米线，外面包覆着三维石墨烯骨架。由于石墨烯优良的机械性能，尽管3D石墨烯/ Co3O4复合材料的质量比较轻，仍可以作为独立电极使用，并且这种单片三维电极在超级电容器的使用中显示出优异的性能。首先，无缺陷的石墨烯泡沫提供了三维多用性和高导电性通道，以此确保了电荷的快速转移和传导;其次，Co3O4纳米线显示出优异的电化学性能和电催化性能;最后，3D石墨烯/Co3O4复合电极提供了巨大有效的活性面积。

通讯作者陈鹏教授，新加坡南洋理工大学教授， 主要研究生物纳米技术领域，如纳米材料在传感， 生物成像，药物传递，和光线疗法等领域的应用，同时组里面还有电池等方面研究方向。陈鹏教授在中国浙江大学获得学士和硕士学位，于2002年在密苏里大学哥伦比亚完成了他的博士学位研究，在哈佛大学经过一段时间的博士后训练，于2005年加入了南洋理工大学助理教授(新加坡)。目前是一个化学与生物医学工程学院的教授。陈教授的研究着重于纳米材料(特别是石墨烯材料)和他们在生物成像和能源设备中的应用。

文献八The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets.

(NATURE CHEMISTRY, 2013, DOI: 10.1038/nchem.1589)被引频次：1766

图9 TMDs催化的析氢反应

层状过渡金属硫化物(TMDs)制备的超薄二维纳米片，从根本上和技术上都十分引人注目。与石墨烯表相比他们有更多种的化学性能和制备方法。单层或者几层的TMDs 是直接带隙半导体，带隙决定于他们的组分、结构和维数，TMDs可以通过块体材料剥落获得或者采用自下而上法的合成。在本文中介绍了如何调控TMDs的电子结构，使他们具有广泛的实际应用。TMDs作为制氢和加氢脱硫的电化学活性催化剂已经开始研究，同时也作为光电子材料的活性物质开始使用。他们的形态和性能也可用于储能应用，比如锂离子电池和超级电容器的电极材料。

通讯作者 Manish Chhowalla，美国罗格斯大学材料科学与工程系教授，于1992年本科毕业于罗格斯大学，1998年博士毕业于剑桥大学。Manish Chhowalla教授在二维层状材料方面研究取得很大成绩，期间在Nature Nanotechnology报道了关于1T金属相MoS2基超级电容器的研究进展，在Science上发表论文，报道了一种采用仅需1-2秒的微波法制备出高质量石墨烯。

文献九Graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems for energy conversion and storage.

(Science,2015,DOI: 10.1126/science.1246501) 被引频次：386

图10 GRMs的能源应用

在光伏器件、燃料电池、电池、 超级电容器等中石墨烯的集成，为不断增加的全球能源驱动的需求设备提供了机遇和应对挑战。石墨烯天然的二维特性具有超高的比表面积，可达2200m2/g，同时也兼顾有高导电性和柔性，使石墨烯成为电荷储存、离子储存和氢气储存的有效材料。其他二维晶体，比如过渡金属硫族化合物(TMDs)和过渡金属氧化物，也成为能源应用很有前景的选择。使用二维晶体这样的优势，采用旋蚬程或者叠层组装方法，有可能根据“需求”创造和设计出分层人工结构。

通讯作者Francesco Bonaccorso，意大利国家研究委员会会员，在剑桥大学工程系(英国)、范德堡大学物理和天文学院(美国)工作后，获得了意大利墨西拿大学的物理学博士学位。2009年6月，他在剑桥大学被授予皇家学会牛顿国际奖学金，同时他在剑桥休斯大厅入选了一个研究课题，在那里，他还进修了一个文科硕士学位。目前，他在意大利理工学院的石墨烯实验室领导一个加工成型小组。他在欧洲石墨烯旗舰计划组里负责制定未来十年技术路线图。他的研究兴趣包括纳米材料的溶液处理，它们的光谱特性，以及聚合物复合材料在太阳能电池、发光器件、锂离子电池和超快激光器中的应用。