基于还原氧化石墨烯的双功能电极的双重工作机制，实现高性能的染料敏化光充式超级电容器

《Journal of Energy Storage》：Dual working mechanism of reduced graphene oxide-based bifunctional electrode enabling high-performance dye-sensitized photo-rechargeable supercapacitor

　　

黄丽欣 | 米亚·里纳瓦蒂 | 安旭 | 索菲安妮萨·奥利亚 | 吴雅伦 | 刘婉尔南·塞普蒂亚尼 | 艾哈迈德·努鲁丁 | 张凌瑜 | 林明贤 | 耶敏馨

台湾科技大学化学工程系，台北10607，台湾

摘要

太阳能是一种有前景的可再生能源，然而传统太阳能电池的间歇性输出限制了其实际应用。最近的努力集中在将光伏系统与储能集成到统一的光充储物装置中。尽管取得了进展，但这些设计通常面临由于内部电阻和复杂电路导致的能量损失等挑战。因此，开发能够同时进行光捕获和能量存储的双功能架构至关重要。在这项工作中，利用基于还原氧化石墨烯（rGO）的双功能电极开发了一种双工作模式的染料敏化光可充电超级电容器（DS-PRSC），实现了在单个双电极设计中的串联光伏转换和能量存储。rGO具有部分恢复的sp2-共轭碳网络，增强了π电子的传输，并以与铂相当的性能催化I?/I??氧化还原对。此外，rGO的高表面积为电双层形成和伪电容相互作用提供了丰富的表面积，从而在电极/电解质界面实现快速离子吸附/脱附，提高了其能量存储能力。基于rGO的DS-PRSC在1太阳光照下实现了1.97%的功率转换效率，比电容为287 mF/cm2，82.0%的电容保持率，并在5分钟的光充电后保持了0.70 V的稳定光电压，在黑暗条件下展示了长达3300秒的放电持续时间，远高于之前报道的集成光超级电容器系统。此外，两个串联连接的DS-PRSC产生的组合光电压约为1.5 V，足以驱动低功率电子设备，显示出比传统的基于铂的DS-PRSC更大的应用潜力。

引言

在现代社会中，能源行业面临着诸如燃料价格波动、化石燃料储备枯竭和空气污染恶化等持续挑战[1]。为了解决这些问题，开发可持续和耐用的能源存储技术变得至关重要，特别是为了满足电子设备 и ?? ???等新兴技术的不断增长的需求。包括太阳能、风能和潮汐能在内的清洁和可再生能源提供了有前景的替代方案[2]。然而，由于能源生成的固有波动和不确定性，将这些能源整合到电网中仍然很困难[3]。一个有效的解决方案是将可再生能源转换系统与高性能的储能技术相结合，以便更稳定和高效地利用间歇性能源[4]、[5]、[6]。

染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其能有效利用漫射阳光、简单的制造工艺以及相对于传统硅基太阳能电池的成本优势而成为最吸引人的第三代光伏技术之一[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。近年来，研究人员通过将DSSCs与储能设备集成来提高太阳能系统的实用性，从而产生了创新的光充储物系统[12]、[13]。报道的光充储物系统通常可以分为三种配置。第一种是由外部连接的光伏和储能单元组成，其中太阳能电池和超级电容器或电池分别制造并通过外部线路耦合。第二种是部分集成的结构，它们在能源转换和储能部分之间共享共同的电极、氧化还原介质或电解质。第三种是紧凑的一体化或单片设备，在单个架构中集成了光捕获、电荷分离和电荷存储。尽管外部连接的系统可以提供灵活的组件优化，但它们通常需要额外的线路和接口，这会增加结构复杂性并可能引入额外的欧姆损耗。相比之下，更集成的架构更有吸引力，因为它们简化了设备设计，并在一个平台上实现了更直接的光充存储[12]。

在这种背景下，超级电容器（SCs）因其出色的快速充放电能力和长循环寿命而在许多应用中受到了关注，这比传统电池具有优势[14]、[15]、[16]。然而，将光伏转换与储能结合的集成系统仍面临相当大的挑战。由于各个组件的串联电阻以及电路设计的复杂性，能量损失限制了它们的实际应用。考虑到这些限制，开发能够同时在紧凑架构内进行太阳能转换和高效能量存储的双功能光驱动设备引起了极大的兴趣[17]、[18]。这些集成系统有望为现代电子应用提供高效、自维持的电源。作为公认的储能碳材料之一，还原氧化石墨烯（rGO）具有许多优势。它主要以其高比表面积和优异的导电性而闻名[19]、[20]。rGO也非常适合DSSCs中的电催化反应以及超级电容器中的电荷存储[21]、[22]、[23]。rGO的大表面积可以为电解质离子扩散和吸附提供丰富的活性位点，进一步提高电容性能[24]。此外，rGO中的残余缺陷和氧官能团有助于伪电容行为，提高了整体电容同时保持了出色的循环稳定性[25]。

章节片段

化学材料

本研究中使用的所有化学品均为分析级。碘（I?，合成级，≥99.5%）、碘化锂（LiI，合成级）、2-甲氧基乙醇、四异丙氧基（TTIP，>98%）和六氧化钨（WOCl?）来自Sigma Aldrich。异丙醇（IPA，99.5%）、N719染料和TiO?糊剂（Ti-nanoxide T/SP）、Surlyn?薄膜（SX1170-60）来自Solaronix。高氯酸锂（LiClO?，≥98.0%）来自Alfa Aesar。叔丁醇（TBA，96%）：

rGO的表征

GO首先通过改良的Hummers方法从石墨合成，随后使用NaBH?通过化学还原得到的GO制备rGO。选择NaBH?是因为它是在相对温和的水性条件下去除GO中含氧官能团的成熟还原剂[27]。采用了一系列表征方法确认rGO的成功合成。使用SEM检查了GO和rGO的形态。

结论

本研究成功实现了一种双功能DS-PRSC，它在单个双电极系统中集成了太阳能捕获和电化学存储。该设备结合了TiO?/N719染料敏化光阳极、WO?储能层和rGO对电极，分别承担光伏和电容功能。rGO对电极在实现这种双重功能中发挥了决定性作用。对于DSSC组件，部分恢复的sp2

CRediT作者贡献声明

黄丽欣：写作——原始草案、方法学、研究、形式分析。米亚·里纳瓦蒂：写作——审阅和编辑、方法学、研究、形式分析。安旭：方法学、研究。索菲安妮萨·奥利亚：方法学。吴雅伦：数据管理。刘婉尔南·塞普蒂亚尼：研究。艾哈迈德·努鲁丁：研究。张凌瑜：写作——审阅和编辑、资源管理、研究。林明贤：写作——审阅和编辑、资源管理、研究。耶敏馨：写作——

资金来源

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC）（NSTC 112-2221-E-011-016-MY3、NSTC 113-2628-E-011-004-MY3、NSTC 113-2222-E-027-009、NSTC 113-2221-E-606-010-MY3、NSTC 114-2221-E-027-010-MY3和NSTC 114-2218-E-011-002）和台湾科技大学与万隆理工学院联合研究计划（ITB-NTUST-2026-06）的财政支持。此外，本工作还得到了“可持续电化学能源”的财政支持