苯醌类有机物与石墨烯复合——超优异循环稳定性赝电容器

传统的超级电容器由于能量密度较低应用受限，为提高其容量和能量密度，金属氧化物和电化学活性的有机材料等通过氧化还原反应贡献赝电容的材料用于超级电容器中。有机物由于其丰富的资源、低成本、结构多样性、柔性等优点引起研究人员的关注，但同时其低导电性使其在循环过程中容量衰减严重，解决上述导电性和循环稳定性的一个途径就是将其与导电纳米材料复合。

在该思路的指引下，美国德雷塞尔大学的YuryGogotsi等利用简单水热法将电化学活性有机物DMQ（2,5-二甲基-1,4-苯醌）与rGO（还原氧化石墨烯）复合，得到DMQ@rGO干凝胶，前者发生快速可逆的氧化还原反应贡献赝电容，后者提供导电网络并阻止前者的结构破坏，使复合材料具有高比容量和优异循环性能——在5mV/s的扫速下，比容量可达650F/g，体积比容量可达780F/cm3，更重要的是其25000次循环之后依然有99%的容量保持率。

为理解电荷储存机理、表面吸附分子的择优取向、电荷密度分布等，作者进一步采用密度泛函理论（DFT）计算。结果表明，电荷存储机理是π-π堆叠作用，与其对照组HQ（氢醌）相比，DMQ在石墨烯表面的结合能更高（-1.36eV，HQ为-1.01eV），而且由于甲基基团的存在，使得DMQ在石墨烯表面展示出更大的电荷分布，阻碍了DMQ的寄生反应，导致其更长的循环寿命。

理论计算与实验验证相结合，表明对导电基底、电化学活性分子、电极结构和合理选择是实现高容量和长循环寿命的关键因素。例如本文中的DMQ分子，2,5位置的甲基基团的位阻碍效应使其能够稳定存在，或许有一天可以大规模商用。