石墨烯-聚苯胺复合材料因其较高的比容量被认为是一种优异的超级电容器电极材料，但循环时聚苯胺通常有严重的粉化效应，导致其稳定性较差，尤其在高负载量下电化学性能容易大幅下降，难以获得更为广泛的应用。
近日，浙江大学高分子科学与工程学系高超教授课题组提出了一种可规模化制备高度可润湿的石墨烯-聚苯胺电极，该电极显示出优异的循环稳定性。进一步的研究结果表明，电极的优异性能几乎不受负载量影响，这种电极具有较大的实际应用潜力。相关表征表明，这种电极材料的卓越性能主要归功于通过湿纺技术组装的氮掺杂石墨烯薄膜前驱体。利用氮掺杂石墨烯前驱体，能有效提高电极材料与电解液的浸润性，为离子快速穿透电极材料提供助力，并且可以有效限制聚苯胺在充放电过程中的体积变化，降低聚苯胺的粉化效应。这项工作对于制备实用型高负载量石墨烯基超级电容器电极提供了有益借鉴。
研究团队基于由湿法纺膜-水热还原制备的高度取向、高度褶皱、高度掺杂（“三高”）的石墨烯膜（NGF）的前期工作（Tri-high designed graphene electrodes for long cycle-life supercapacitors with high mass loading.Energy Storage Materials, 2019, 17: 349-357.），以石墨烯层间限域原位生长聚苯胺，来获得氮杂石墨烯-聚苯胺膜（PNGF）（图一）。掺杂的氮原子与层间原位生长的聚苯胺大大提高了该材料的浸润性，更有利于其被用作超级电容器电极材料。
图一 氮杂石墨烯-聚苯胺膜的制备
该石墨烯-聚苯胺材料作为电极组装成的超级电容器，具备优异的电化学性能（图二）。尤其值得指出的是，其循环稳定性极为优越，20000圈充放电后容量保持78%，这在同类材料中处于领先地位。对于其极佳的循环稳定性，研究团队提出了一种可能的机理，即以高度氮杂石墨烯膜前驱体中氮原子为活性位点，接枝生长聚苯胺。这一结构可有效避免充放电过程中聚苯胺的粉化效应，大大提高其寿命。
图二 氮杂石墨烯-聚苯胺膜的电化学性能
因其优异的浸润性以及继承于其前驱体的丰富孔道结构，该材料在高负载时仍具备极佳的电化学性能（图三），而高负载对于超级电容器的商业应用至关重要。
图三 高负载量时氮杂石墨烯-聚苯胺膜的电化学性能
相关成果以"Wet-spinning assembly of nitrogen-doped graphene film for stable graphene-polyaniline supercapacitor electrodes with high mass loading"为标题发表在Science China Materials上。文章的第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子高超教授课题组的本科生褚星远，通讯作者为高超教授与2018届毕业生黄铁骑博士。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等相关经费的大力资助。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s40843-019-9436-1
文章来源：纳米高分子高超课题组
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