氨基功能化石墨烯薄膜的宽pH适应性赝电容增强机制及高性能超级电容器应用

　　针对有机电极材料导电性差、易溶解等瓶颈问题，研究人员通过酰化/开环反应将对苯二胺(PPD)锚定于氧化石墨烯(GO)，构建了RGO@PPD复合薄膜电极。该材料在6 M KOH中实现2150 mF cm-2 的面电容，并通过对称/混合器件设计拓宽电压窗口，显著提升水系电解质的能量密度(0.59 mWh cm-2 )，为宽pH范围高性能超级电容器开发提供新思路。

　　

超级电容器作为储能领域的重要成员，凭借其功率密度高、充放电快、循环寿命长等优势备受关注。然而，与电池相比，其能量密度低的短板始终制约着实际应用。这就像短跑运动员虽然爆发力强，但续航能力不足——如何让超级电容器既保持"快充快放"的特长，又能储存更多能量，成为科学家们攻坚的焦点。

当前提升能量密度的两大策略——开发新型电极材料和优化器件设计——都面临严峻挑战。在材料方面，金属化合物虽在碱性电解液中表现优异，MXene和导电聚合物则偏好酸性环境，鲜有能"通吃"宽pH范围的电极材料。更棘手的是，有机材料虽具有结构可调、多电子转移等优势，却常因"导电差、易溶解"的先天缺陷折戟沉沙。这就像拥有丰富矿产却缺乏运输通道，如何打通电子传输的"高速公路"，同时防止活性物质"流失"，成为破局关键。

河南理工大学的研究团队独辟蹊径，选择对苯二胺(PPD)这一特殊分子作为"桥梁"。通过精巧设计的酰化/开环反应，在180°C水热条件下将PPD分子像"锚"一样牢牢固定在氧化石墨烯(GO)骨架上，构建出RGO@PPD复合薄膜。这种"三位一体"的设计蕴含三大妙处：石墨烯骨架提供电子传输的"高速公路"、PPD的氨基(-NH₂
)贡献赝电容反应位点、PPD分子还充当"隔离桩"防止石墨烯片层堆叠。

研究采用水热合成结合电化学沉积技术，通过调控PPD与GO的质量比(6:5)获得最优性能。电化学测试显示，复合薄膜在6 M KOH电解液中面电容高达2150 mF cm^-2
，是纯RGO电极的2.7倍。更令人振奋的是，该材料在酸性、中性、碱性环境中均表现稳定，打破了传统电极材料的pH局限。通过构建RGO@PPD//Ni(OH)₂
混合器件，工作电压窗口扩展至1.6 V，能量密度提升至0.59 mWh cm^-2
，功率密度保持4.00 mW cm^-2
。

【材料合成】
采用改良Hummers法制备GO，通过水热反应使PPD与GO发生酰化/开环反应，同步实现GO还原和PPD接枝。Ni(OH)₂
正极通过恒电流电沉积制备，RGO薄膜经电化学氧化处理增强界面结合力。

【结果与讨论】
3.1 Ni(OH)₂
-EARGO电极设计与表征
电化学氧化处理的EARGO薄膜表面形成纳米级沟槽，Ni(OH)₂
纳米片垂直生长其上，比表面积显著增加。XPS证实PPD通过-CONH-共价键与RGO连接，拉曼光谱显示缺陷密度适度增加有利于电荷转移。

3.2 电化学性能分析
CV曲线在-0.2~0.6 V(vs. Hg/HgO)出现可逆氧化还原峰，证实PPD的-NH₂
/=NH⁺
转化贡献赝电容。EIS谱显示RGO@PPD电荷转移电阻仅1.8 Ω，远低于纯PPD电极(158 Ω)。

3.3 宽pH适应性机制
PPD的质子化/去质子化反应使其在pH 0-14均保持电活性，FTIR证实-NH₂
在酸性条件下转化为-NH₃
⁺
，中性时形成氢键网络，碱性时发生可逆氧化。

【结论】
该研究开创性地通过分子工程策略解决了有机电极材料的导电性和溶解性难题。RGO@PPD薄膜兼具高导电骨架、丰富赝电容位点和离子快速通道三重优势，其宽pH适应性打破了传统电极材料的环境限制。混合器件设计理念为提升水系超级电容器能量密度提供了普适性方案，对发展柔性电子、可穿戴设备等新兴领域具有重要启示。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》，被审稿人评价为"有机-碳材料复合领域的标志性进展"。