超级电容器（Supercapacitors，SC）具有超快充放电速率、优异的循环稳定性和较高功率密度等优点被认为是一种理想的能量储存装置。其中，电极材料的性质很大程度上决定了SC的储能性能。比较理想的电极材料应具备大比表面积、高电子/离子传导率、高化学/电化学稳定性。为满足下一代柔性、可穿戴的电子设备应用需求，电极材料还需具有优良的机械柔韧性。石墨烯刚好具有以上特性并被认为是非常合适的电极材料。然而，目前基于石墨烯的SC器件通常在质量比电容（Cw）和体积比电容（Cv，Cv=ρ´Cw，ρ电极材料密度）之间存在“Trade-Off”的关系。这是因为具有高Cw的石墨烯电极材料一般非常轻而蓬松（即ρ<<1 g cm-3），造成Cv值较小，最终难以实现Cw和Cv都较高的理想情况。
氟化石墨是石墨烯家族中本征密度最高的材料（ρ~2.6 g cm-3），但是其导电率低、片层堆积过于紧密导致电化学储能性质较差。如果能够通过化学反应适当地将石墨烯片层支撑开来，同时又利用化学键将石墨烯连接起来，所得的氟化石墨衍生材料可能既拥有较大的离子可接触的比表面积，又具有较高的密度，从而表现出Cw和Cv的双优特性。按照这一设计思路，课题组在前期对氟化石墨化学反应和修饰的工作基础上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 24679-24688.），最近又利用乙二胺（EDA）、对苯二胺（PDA）、4,4’-二氨基二苯醚（ODA）对氟化石墨中的C-F键亲核取代反应，将3种分子大小和结构不同的功能性二胺柱撑于石墨烯片层之间，并将石墨烯共价连接起来（如图1所示）。研究结果表明，ODA功能化石墨烯（ODA-G）具有最大的密度（ρ~1.08 g cm-3）和片层间距（d-spacing~6.2 Å），同时还具有高电导率、大比表面积、多孔结构等优点。在0.5 A g-1电流密度下，ODA-G给出了高达328.5 F g-1的质量比电容、354.8 F cm-3的体积比电容、9093 W L-1的体积功率密度和20 W·h L-1的体积能量密度。此外，ODA-G还展现出优异的倍率性能和循环稳定性。相比于大多数已报道的石墨烯或其他二维材料，ODA-G的综合性能处于领先水平。
该论文于2019年1月14日在线发表于Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/C8TA09782H）。该工作主要由赵福刚老师和2016级硕士生孔雨婷所完成，得到国家自然科学基金（No. 21504080）和浙江省自然科学基金（LQ15B040003）的大力资助。（二0一九年一月）
图1. 二胺分子柱撑石墨烯电极材料用于制备超级电容器.
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C8TA09782H#!divAbstract