薄如纸却超级能装电的石墨烯复合新材料

随着可穿戴设备和便携式电子产品的快速发展，人们需要一种既轻薄柔软又具备强大储能能力的电池技术。在众多储能技术中，超级电容器因为充电快、功率高以及使用寿命长，成为了科学家们关注的焦点。

然而，寻找完美的超级电容器电极材料是个不小的难题。石墨烯这种材料导电性极佳且机械性能优异，是制作柔性电极的理想候选者，但它储能容量（也就是比电容）相对较低。另一种被称为聚苯胺（PANI）的导电聚合物虽然储能容量高，但经历多次充放电后结构容易被破坏，导致循环稳定性很差。因此，如何把这两种材料完美结合，实现“强强联手”，成为了一个极具潜力的研究方向。

要把石墨烯和聚苯胺结合起来，最简单的想法是把它们混在一起。但是，普通的石墨烯很难在水中均匀分散。以往的研究通常使用“氧化石墨烯”来代替，但在还原氧化石墨烯的过程中，容易破坏聚苯胺的化学结构，导致性能下降。为了解决这个问题，研究人员想到了“磺化石墨烯（SG）”。磺化石墨烯表面带有亲水的磺酸基团，不仅能在水中很好地溶解，还能在聚苯胺的合成过程中充当 “掺杂剂”的关键成分。

论文中的图1展示了这一过程的原理：研究人员将水溶性的磺化石墨烯与苯胺单体混合，通过添加酸性溶液和氧化剂（APS），让苯胺直接在石墨烯的表面发生“原位聚合”。也就是说，聚苯胺是在石墨烯表面直接生长出来的。在这个过程中，带负电的磺化石墨烯和带正电的聚苯胺通过离子键紧紧结合在一起，实现了一层一层的“自组装”。

有了均匀混合的溶液后，如何把它变成实用的材料呢？研究团队使用了实验室中常见的工具-真空抽滤装置。 将混合好的溶液倒在带有微孔的滤膜上，利用低压将水分抽干。随着水分流失，固体物质相互交织、堆叠，揭下来就得到了一张可以独立存在的“纳米复合纸”。

为了弄清楚这张“纸”在微观下到底长什么样，研究人员采用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）进行表征形貌的观察。

聚苯胺的形态改变（见图2）：在普通的透射电子显微镜（TEM）下，单独生成的聚苯胺呈现出纳米棒状结构。在复合材料的TEM图像中，研究人员发现几乎所有的聚苯胺都变成了均匀的片状结构，并且平整地附着在石墨烯表面的两侧。

像千层饼一样的复合纸（见图3）： 扫描电子显微镜（SEM）展示了这种材料的截面形貌。图中不仅包含了一张可以用镊子随意弯折的柔性复合纸的实物照片，还在其微观断面图中显示出了高度致密的层状堆叠结构。层与层之间的距离仅在80到300纳米之间，聚苯胺均匀地穿插在石墨烯层间。这种结构不仅让材料更坚韧，也为电荷的存储和传输提供了通畅的微观通道。

研究团队还使用了拉曼光谱仪（Raman）分析分子键的特征，利用X射线衍射仪（XRD）观察晶体结构，通过热重分析仪（TGA）测试了材料在高温下的质量流失情况。这些客观的测试数据相互印证，证实了聚苯胺确实成功且均匀地嵌入了石墨烯层中，并且复合材料比单一的聚苯胺具有更好的热稳定性。

电化学性能测试环节，这张 “复合纸”展现出了优异的储能潜力。研究人员在一个三电极系统中对其进行了测试，主要结果如下：

超高的比电容（见图8）： 比电容是衡量超级电容器“能装多少电”的核心指标。根据论文图8的数据，在0.5 A/g的放电电流下，这种复合纸的比电容达到了478 F/g。相比之下，单独的磺化石墨烯纸只有156 F/g，而纯聚苯胺粉末也只有264 F/g。两者结合后，性能实现了显著的提升。

出色的耐久度（见图9）： 超级电容器的重要优势是使用寿命长。如图9中的循环稳定性测试所示，在经历了2000次充放电循环后，这张复合纸能够保持初始电容值的88%。作为对比，以前的类似研究显示，普通的聚苯胺电极在1000次循环后通常只能保留52%的电容。这充分说明石墨烯层状结构的加入起到了良好的“骨架”稳定作用，极大地缓解了聚苯胺在充放电过程中的结构损耗。

学者介绍：刘屹东，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，国家级特聘专家。主要从事高性能材料与器件、合成化学及功能材料研究，研究内容涉及高性能聚合物与复合材料、新能源与储能材料、热管理与相变材料、石墨烯及二维材料等方向，聚焦材料结构设计、合成制备与性能调控，以及先进功能材料在能源存储、电子器件和工程应用中的关键科学与技术问题。

ORCID：0000-0002-8412-9076

DOI：10.1016/j.synthmet.2014.11.017

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