摘要：
氮掺杂石墨烯气凝胶（NGAs）因其高比表面积、优异导电性及化学可调性，作为超级电容器的新一代电极材料备受关注。近期研究证实氮掺杂能有效增强伪电容行为、润湿性和电子传输能力，从而显著提升比电容、能量密度及循环性能。本文综述了水热自组装、溶胶-凝胶聚合及模板导向合成等多种制备策略，并展示了对称与非对称电极体系的电化学性能。性能最优的氮掺杂聚合物电极展现出高达900 F/g的比电容、超过60 Wh/kg的能量密度，以及10,000次循环后仍保持90%以上的长期容量保持率。然而，现有合成策略仍受限于批量加工、过高热需求及掺杂剂均匀性难题。不同研究中电极结构与性能数据存在不一致性，导致直接对比困难并阻碍产业转化。本综述强调亟需可扩展的绿色合成方案、标准化测试流程，以及系统评估氮元素在电容增强中的作用。本研究可延伸至双掺杂技术、柔性电极制备及掺杂材料在实用器件架构中的集成。这些洞见为理性设计适用于超级电容器的高性能氮系氧化物电极奠定了基础。
文章简介：
随着便携式电子设备、电动汽车和可再生能源系统的快速普及，对储能装置的需求日益增长。这些系统需要具备延长循环寿命和快速充放电能力的高功率储能技术。尽管锂离子电池（LIBs）在能量密度方面仍无出其右者，但高能量密度也带来了相应弊端，例如在高功率需求下存在安全隐患、动力学性能低下及循环寿命短等问题。超级电容器凭借显著提升的功率密度、高充放电速率及优异的循环稳定性，被视为极具吸引力的补充替代方案。通过融合快速能量供给与长循环寿命特性，超级电容器弥合了传统电容器与电池的性能鸿沟，使其适用于高性能应用场景。在各类超级电容器中，电双层电容器（EDLC）通过电极-电解质界面实现静电储能，因此电极材料的比表面积、孔隙率及导电性对其性能具有决定性影响。
由于其卓越的稳定性和导电性，活性炭、碳纳米管和碳纳米纤维等碳基材料正被广泛研究作为EDLC电极。尽管碳材料种类繁多，但由π键碳原子构成的二维单层结构——石墨烯，因其卓越的电导率、高比表面积（~2600 m²/g）、机械强度及电化学稳定性，已成为超级电容器（SC）应用领域的热门选择。这些特性使石墨烯成为超级电容器应用中极具潜力的电极材料。
然而在实际应用中，重叠堆积或团聚的石墨烯片层会因离子可及性受限而降低有效表面积。三维石墨烯气凝胶（GAs）的开发解决了这一难题。气凝胶具有三维互连多孔网络结构，既促进离子扩散、扩展电活性表面积，又为电子传输提供充足通道。与传统二维石墨烯材料相比，气凝胶展现出卓越的导电性、更大的孔隙体积和增强的机械强度。因此，通过提高电解液渗透性和改善电化学动力学，GAs显著提升了超级电容器性能。然而，即使原始GAs也仅限于表现电双层电容特性，通常仅能达到中等比电容值（100–300 F/g），未能展现假电容特性。为突破此局限，研究者探索了杂原子掺杂技术，该方法能巧妙引入表面官能团与氧化还原活性位点。通过向石墨烯晶格掺入氮、硫或氧等元素，可形成额外电子态，从而同时提升电容值与催化活性。
在上述研究过的杂原子中，氮是最常用的掺杂剂，这得益于其与碳相似的原子尺寸、较高的电负性，以及能够以多种键合构型融入碳晶格的特性。掺杂过程会在相邻碳原子上引入孤对电子和局域正电荷，从而提升导电性并促进法拉第反应。研究证实，吡啶氮结构凭借其局部供电子特性，是提升氧还原反应（ORR）活性与增强电荷存储容量的关键配置。此外，氮掺杂还能增强石墨烯的润湿性，从而促进离子向活性位点的迁移与通达。经氨水水热处理的氮气凝胶（NGA）展现出优异导电性（氮含量8.4 at%），并在酸性电解液中呈现出223 F/g的比电容及稳定循环性能。
在此基础上，采用多凝胶化法合成了氮硫共掺杂石墨烯气凝胶（N, S-MGA）。该N,S-MGA展现出优异的电化学性能：在1M KOH溶液中比电容达486.8 F/g，混合氧化还原电解液中经5000次循环后电容保持率达98.7%。通过多凝胶化策略，显著提升了气凝胶的密度与连通性——这正是超轻功能化气凝胶面临的核心挑战之一，因其设计目标要求低堆积密度且机械强度较弱。此外，氮硫协同掺杂通过增强伪电容效应，有效提升了氧化还原活性。
本文系统评估了氮掺杂气凝胶（NGAs），重点探讨氮掺杂对其结构、电学及电化学性能的影响。综述近期实验研究成果，强调氮原子构型、掺杂浓度及合成策略在超级电容器用气凝胶设计中的关键作用。本文研究成果深化了对优化杂原子掺杂碳纳米材料的认识，并验证了氮掺杂三维石墨烯框架作为超级电容器电极所具备的高性能、可扩展性、成本效益及环境兼容性。
文章结论：
含氮石墨烯气凝胶作为前沿超级电容器电极的竞争性材料层层涌现。碳材料独特的立体多孔结构、高电导率及可调控的表面化学特性，使其在长期循环稳定性、高电容及高充放电速率方面表现卓越。最新研究表明，即使微量氮掺杂也能显著改变材料的结构与电化学特性。氮原子不仅能形成伪电容位点，还能调节材料电子结构，增强表面极性和电导率。最佳实例如NS–rGOA3、NHGA和NG/MnO2-400等材料，实现了高比电容（>900 F/g）、高能量密度及卓越稳定性（可达数千次循环）。例如N-GA-4（Asn）在80,000次循环后仍保持99.3%的容量；通过精心设计的空气凝胶结构与优化掺杂方案可实现此类耐久性。上述成果同时启示：氮掺杂与其他填充材料（如金属氧化物或导电聚合物）结合时，可能产生协同效应。
然而，实验室成功与工业规模化生产之间仍存在巨大鸿沟。许多合成方法——如水热组装、冷冻干燥和高温热解——在转向大规模生产时仍难以实现。这些工艺通常需要较长的处理时间、高能耗投入以及对操作条件的严格控制，从而限制了批次可重复性和经济可行性。此外，部分合成路径不仅选择有限，还涉及有毒化学品使用或产生大量废弃物，这与可持续储能解决方案的部分目标相悖。测试协议与性能报告标准不统一的问题始终存在。部分研究报告提供完整的电化学表征数据，而另一些则遗漏关键参数（如能量密度或循环寿命）。此外，多数报告采用三电极配置，导致对实际双电极器件性能的评估存在高估。为实现材料的精准基准测试与比较，后续研究应采用标准化流程，包括在实际器件环境中进行性能测试。
未来应重点关注可扩展且可持续的合成方法。微波辅助合成、喷雾干燥、溶胶-凝胶模板法及直接墨水书写等制备技术，有望为实现形态可控、掺杂物组成可调且可批量生产的气凝胶铺平道路。这些方法能够降低能耗、简化工艺步骤，并支持连续或半连续生产。同时，除氮元素外，进一步关注硫、硼或磷等杂原子的共掺杂技术，可提升氧化还原活性、表面润湿性及离子扩散动力学。
尽管超出本研究范围，未来NGAs的发展还需同步解决集成到柔性与混合能源存储平台的问题，采用统一的性能参数化方案以实现可扩展性。尽管多项研究表明可穿戴超级电容器和固态配置具有可行性，但这两个重要领域尚未得到充分探索。部分综述材料展现出高柔韧性，使其更具作为未来解决方案的吸引力。最后，亟需开展更多关于氮原子构型（如吡啶型、吡咯型和石墨型）与电化学性能关联的机理研究，以推动新一代气凝胶的设计。氮掺杂石墨烯气凝胶作为高性能、长循环寿命且具有潜在高通量特性的超级电容器材料，展现出广阔的应用前景。
文章信息：
Nitrogen-Doped Graphene Aerogels for Supercapacitors: Advances in Synthesis and Electrochemical Performance
Khaled Abdou Ahmed Abdou Elsehsah*, Zulkarnain Ahmad Noorden*, Norhafezaidi Mat Saman, Noor Azlinda Ahmad, Mohd Faizal Hasan, Sharin Ab Ghani, Ayaz Ahmed
https://doi.org/10.1002/bte2.70083
