在当今科技飞速发展的时代，能源问题愈发凸显。从日常生活中的电子设备，到工业生产中的大型器械，都离不开稳定、高效的能源供应。然而，传统的能源存储方式，如常见的电池，在能量密度、充放电速度和循环寿命等方面，逐渐难以满足人们日益增长的需求。超级电容器作为一种新型的储能设备，因其能快速存储和释放能量，受到了广泛关注。
石墨烯，这种由碳原子组成的二维材料，凭借其独特的光学、机械和电学性能，被视为超级电容器电极材料的理想之选。但它在大规模生产和表面活性方面存在不足，限制了其应用。为了克服这些问题，科学家们尝试对石墨烯进行功能化处理，其中引入氨基（−NH2 ）是重要的研究方向。不过，以往制备氨基化还原氧化石墨烯（NH2−rGO ）的方法，要么需要漫长的反应时间，要么在高温高压等极端条件下进行，还可能使用有毒化学物质，这不仅增加了生产成本，也不利于大规模生产。因此，开发一种简单、高效、环保且可规模化的制备NH2−rGO 的方法，成为了科研人员亟待解决的问题。
在这样的背景下，来自那加兰大学（Nagaland University）、维斯瓦拉亚技术大学（Visvesvaraya Technological University）等机构的研究人员开展了相关研究。他们成功开发出一种简单的一锅法，可在约 9 小时内合成NH2−rGO ，这是目前报道的最快合成方法之一。该研究成果发表在《iScience》上，为高性能能源存储系统的发展提供了新的策略。
研究人员在实验过程中，运用了多种关键技术方法。首先是材料合成技术，采用改进的 Hummer’s 法合成NH2−rGO ，通过调节反应混合物（RM）的 pH 值来控制氮含量，制备出不同氮含量的样品。其次是材料表征技术，利用 X 射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散光谱（EDS）、X 射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，对材料的化学组成、结构和形貌进行分析。最后是电化学性能测试技术，使用三电极和两电极体系，通过循环伏安法（CV）、恒电流充放电法（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）等测试，评估材料作为超级电容器电极的性能。
研究结果
- 化学组成分析：通过 XPS 分析NH2−rGO 样品的化学组成，发现所有样品在结合能为 284 eV、399 eV 和 532 eV 处分别出现 C1s、N1s 和 O1s 峰，证实了氮物种成功掺入。且 C:O 比大于氧化石墨烯（GO），表明反应过程中发生了脱氧 / 还原。通过调节 RM 的 pH 值，可调控氮含量，在不同样品中，氮含量在 2 - 6% 之间变化。对高分辨率 C1s 和 N1s 光谱进行解卷积分析，发现存在 C - N 基团，证明了胺基成功与石墨烯结合。FTIR 光谱也显示出相关特征峰，进一步证实了胺化和还原的成功。
- 形态特征研究：利用 XRD 和 SEM 对合成的NH2−rGO 进行结构特征研究。XRD 光谱显示在2θ≈25∘ 处有（002）衍射峰，表明石墨的长程有序结构被有效破坏，层间距发生变化，这是由于胺基的掺入改变了石墨烯层的堆叠排列。同时，在2θ≈45∘ 处有（10）衍射峰，说明存在短程有序。且所有NH2−rGO 样品的 XRD 图谱中都没有 GO 的特征峰，表明含氧化合物成功被还原。SEM 图像显示，NH2−rGO 样品由薄片状结构组成，随机聚集在一起，形成了石墨烯材料特有的褶皱和扭曲结构。EDS 分析表明，不同样品中氮浓度存在显著差异，与 XPS 结果一致，且 A - 7 样品中氮含量最高，元素分布映射显示氮在碳基质中均匀密集分布。
- 电化学性能：研究人员对NH2−rGO 样品和 rGO 进行电化学性能测试。在三电极体系中，CV 曲线呈现出矩形形状，具有双电层电容（EDLC）的特征，同时存在少量氧化还原峰，这可能是由于氮和氧官能团的存在。A - 7 样品的 CV 曲线面积最大，表明其具有优越的储能能力。所有电极的比电容（Cs ）在扫描速率为 5 mV s-1 时最高，随着扫描速率增加而降低。A - 5、A - 7、A - 9 和 A - 12 的电容值分别是 rGO 的 2.43、2.85、2.72 和 1.62 倍。GCD 测量结果显示，所有样品在 1 A g-1 电流密度下的曲线呈准三角形，表明具有纯电容行为。A - 7 在 10 A g-1 时仍保持较高的比电容，几乎是 rGO 的五倍。在两电极体系中，基于 A - 7 制备的对称超级电容器（A - 7 SSC）在 0 - 2.2 V 电位窗口内的 CV 曲线呈现矩形，在 100 mV s-1 扫描速率下仍保持良好的电容行为。A - 7 SSC 在 1 A g-1 时的比电容为 322 F g-1 ，是 rGO 基对称超级电容器（GO SSC）的 5 倍。A - 7 SSC 还展现出优异的能量密度和功率密度，在 1 A g-1 时，其重量能量密度为 54.18 Wh kg-1 ，体积能量密度为 48.16 Wh L-1 ，分别是 GO SSC 的 5 倍和近 7 倍。EIS 测试结果显示，A - 7 SSC 和 rGO SSC 的 Nyquist 图在高频区存在电感行为，在低频区具有高度电容性行为，且 A - 7 SSC 的电荷转移电阻较低。循环稳定性测试表明，A - 7 SSC 在 10,000 次循环后电容保持率为 98%，而 rGO SSC 为 92%，体现了 A - 7 SSC 优异的循环稳定性。
研究结论与讨论
该研究成功开发了一种简单、可扩展的一锅法合成NH2−rGO ，这是目前最快的合成方法之一。通过调节反应混合物的 pH 值，可精确控制氮含量，最高可达 6 原子 %。XPS 和 FTIR 分析证实了石墨烯中存在伯胺基团，元素映射显示氮在NH2−rGO 基质中均匀分布。与 rGO 相比，NH2−rGO 展现出增强的电化学性能，特别是 A - 7 SSC 在 1 A g-1 时比电容高达 322 F g-1 ，重量能量密度为 54.18 Wh kg-1 ，体积能量密度为 48.16 Wh L-1 ，均显著优于 rGO SSC。这种增强的电化学性能归因于氮基团的引入改善了材料的润湿性，促进了离子传输。该方法为基于石墨烯的先进高性能储能系统的开发提供了有前景的策略，也为碳纳米材料的后合成修饰和活化提供了新的思路，在催化、生物传感器和能源存储等领域具有重要的应用潜力。然而，由于设备限制，研究未能进行拉曼光谱、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和原子力显微镜（AFM）等材料表征，这在一定程度上限制了对材料更深入的理解。未来的研究可以在这些方面进行补充，进一步完善对NH2−rGO 材料性能的认识，推动其在更多领域的应用。
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