石墨烯具有较高的比表面积和良好的导电性，被认为是超级电容器中很有潜力的电极材料［1］。石墨烯片层间较强的堆叠现象，导致纯粹的石墨烯电极材料无论是在水相还是有机相电解液中的双电层电容值均不高于200 F·g-1。然而，我们所制备的GF电极材料，其内部充满了大孔结构，并且连接的石墨烯片子只含有少数层石墨烯，极大程度上增加了石墨烯的活性比表面积，再加上氮元素的引入，能够在很大程度上提高石墨烯的电容性能。
因此，GF作为电极材料，不论是在三电极体系还是两电极体系都表现出了高性能的超级电容器行为（图4.5和图4.6）。图4.5（a）显示了GF电极在三电极体系中不同扫描速度下的CV曲线。该曲线在所有扫描速度下（10～100 mV·s-1）均表现出了近似矩形的形状，显示了其理想的双电层电容的特征。相应地，从图4.5（b）中可以看出，GF的充放电曲线表现出了类似对称三角的形状，并没有出现明显的电压降（IR降）。如图4.5（c）所示，在电流密度为1 A·g-1的条件下，GF展现出了484 F·g-1的电容值，接近理论计算的纯粹石墨烯的双电层电容值（550 F·g-1）［22］。据了解，这个电容值是目前石墨烯材料中最高的［23］。值得注意的是，GF电极在很大的电压范围内都表现出了较高的电容值和稳定性（图4.5（c）（d））。即使在电流密度为100 A·g-1的情况下，其电容量依然可以达到415 F·g-1。这个数值相当于所报道的氮掺杂石墨烯薄膜的1.5倍（280 F·g-1）［18］，并且远大于硼和氮元素共掺杂的三维石墨烯结构（小于240 F·g-1）［24］。除此之外，GF的电容值要远高于那些纯粹的三维石墨烯（200 F·g-1）［1，15］，碳纳米管（300 F·g-1）［25］，以及活性炭材料（300 F·g-1）［26］。GF之所以具有高的电容活性可能跟其内部高暴露的石墨烯活性表面及含有较少堆叠在一起的石墨烯片层有关，另外，氮原子的掺入也可能增加其电容的容量［24］。以上结果表明，GF电极材料在高性能超级电容器方面具有很大的优势。
图4.5 超轻石墨烯泡沫组装为三电极体系的电容器性能测试
（a）GF电极在1 mol·L-1 LiClO4电解液中的CV曲线（扫速分别为10 mV·s-1、50 mV·s-1、100 mV·s-1）；（b）在10 A·g-1、30 A·g-1、60 A·g-1和100 A·g-1电流密度下的充放电曲线；（c）不同电流密度下的比电容值；（d）在电流密度为100 A·g-1下GF电极的循环稳定性(www.xing528.com)
同时，还将GF组装成两电极体系的电容器进行测试。如图4.6（a）所示，在两电极体系中，GF电极在不同扫描速度下均表现出了近似矩形的形状。即使在扫描速度增大为500 mV·s-1时，GF依然表现出类似矩形的形状。从图4.6（b）中可以看出，GF的充放电曲线表现出了与其在三电极体系中（图4.5（b））类似的对称三角的形状，并没有出现明显的电压降（IR降）。图4.6（c）显示了GF电极在电流密度从1 A·g-1增大至100 A·g-1的范围内电容值的变化情况。在电流密度为1 A·g-1的条件下，GF表现出了454 F·g-1的电容值，接近相同条件下三电极体系计算得到的电容值（484 F·g-1）。如图4.6（d）所示，在电流密度为100 A·g-1下进行充放电循环测试时发现，GF电极表现出了非常稳定的电容性能。
图4.6 超轻石墨烯泡沫组装为两电极体系的电容器性能
（a）GF电极在两电极体系中的CV曲线（扫速分别为50 mV·s-1、300 mV·s-1、500 mV·s-1）；（b）在10 A·g-1、30 A·g-1、60 A·g-1和100 A·g-1电流密度下的充放电曲线；（c）不同电流密度下的比电容值；（d）在电流密度为100 A·g-1下GF电极的循环稳定性
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