这篇文档于2014年12月10日发表在 Nature Communications 期刊上，题为“Laser-induced porous graphene films from commercial polymers”。该研究由Jian Lin、Zhiwei Peng、Yuanyue Liu、Francisco Ruiz-Zepeda、Ruquan Ye、Errol L.G. Samuel、Miguel Jose Yacaman、Boris I. Yakobson和James M. Tour共同完成，其主要研究机构包括美国莱斯大学（Rice University）的材料科学与纳米工程系、化学系、斯莫利纳米科学与技术研究所，以及德克萨斯大学圣安东尼奥分校的物理与天文学系。本研究属于材料科学、纳米技术和电化学储能交叉领域。
研究的学术背景基于石墨烯材料因其独特的物理化学性质在电子和储能器件中展现出巨大潜力，特别是具有三维（3D）多孔结构的石墨烯能显著提升其在超级电容器等器件中的性能。然而，当时已有的多孔石墨烯合成方法（如高温处理或多步化学合成）通常过程复杂、成本高昂且难以进行精确图案化，这阻碍了其在商业化微型储能器件（尤其是新兴的可穿戴电子设备）中的广泛应用。因此，开发一种一步法、可规模化且能直接图案化的石墨烯制备技术具有重要的科学与技术意义。本研究的目标正是探索一种利用商用聚合物薄膜，通过二氧化碳（CO₂）红外激光直接诱导生成并图案化多孔石墨烯薄膜的简便方法，并评估其作为微型超级电容器（microsupercapacitor, MSC）电极材料的电化学性能。
该研究的工作流程主要包含以下几个相互关联的环节： 首先，是激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene, LIG）的制备与基础表征。研究者使用一台商业化的CO₂红外激光雕刻系统（Universal X-660），在环境空气条件下，对商用聚酰亚胺（Polyimide, PI）薄膜进行辐照。激光波长为10.6 μm，脉冲持续时间约14 ms。通过计算机控制激光扫描路径，可以直接在PI膜上“书写”出各种预设图案。实验系统地探索了激光功率（从2.4W到5.4W，以0.6W递增）和扫描速率对转化效果的影响。他们发现存在一个阈值功率（约2.4W），低于此功率PI保持绝缘体性质，高于此功率则开始转化为导电的LIG。随后，他们对获得的LIG材料进行了全面的物理化学表征。这包括使用扫描电子显微镜（SEM）观察其表面和截面的三维多孔形貌；通过拉曼光谱（Raman spectroscopy）分析其碳结构的结晶质量与缺陷特征，计算了D峰与G峰的强度比以及晶域尺寸；利用X射线衍射（XRD）测定其石墨化程度和层间距；采用X射线光电子能谱（XPS）分析其表面元素组成和化学键态；并通过透射电子显微镜（TEM）和球差校正扫描透射电子显微镜（Cs-STEM）在原子尺度观察其微观结构，特别是发现了LIG具有由五边形-七边形碳环对构成的超多晶特征和丰富的晶界。此外，还通过BET比表面积测试分析了其孔结构，并通过热重分析（TGA）评估了其热稳定性。
其次，是LIG的电学性能评估。研究使用四探针法测量了不同激光功率下制备的LIG薄膜的方阻（Sheet resistance, Rs）。结果表明，随着激光功率从阈值增加到5.4W，方阻从约35 Ω/sq持续下降到约15 Ω/sq，对应的电导率约为25 S/cm，高于当时报道的激光还原氧化石墨烯（laser-reduced GO）的电导率。研究还观察到方阻随功率变化的曲线存在两个不同的斜率区间，表明在较低功率下热效应主导石墨化质量提升，而在较高功率下空气氧化开始对材料质量产生不利影响。
第三，是基于LIG的微型超级电容器（LIG-MSC）的制造与电化学测试。这是本研究的关键应用验证环节。研究者直接将激光写入的LIG图案用作MSC的叉指电极和集流体。他们设计了具有12个叉指电极的器件结构，电极间距离约为300 μm。制造完成后，在电极的公共端涂覆银浆以改善电接触，并用聚酰亚胺胶带（Kapton tape）定义出有效的电极工作区域以隔绝电解液。电化学性能测试主要采用循环伏安法（Cyclic voltammetry, CV）、恒电流充放电法（Galvanostatic charge-discharge, CC）和电化学阻抗谱（Electrochemical impedance spectroscopy, EIS）。测试分别在两种电解液中进行：1M硫酸（H₂SO₄）水溶液和离子液体BMIM-BF₄（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）。他们系统地评估了器件的面积比电容（Ca）、倍率性能、能量密度、功率密度以及循环稳定性。为了展示实际应用潜力，他们还演示了通过串联和并联多个LIG-MSC器件来驱动发光二极管（LED）。
第四，是结合理论计算解释LIG优异性能的来源。为了深入理解LIG-MSC高电容的物理机制，研究团队进行了密度泛函理论（Density functional theory, DFT）计算。他们重点探究了LIG中大量存在的由五边形-七边形对构成的晶界（Grain boundaries）对其量子电容（Quantum capacitance, Cq）的影响。理论模型比较了完美石墨烯层、两种不同类型晶界的多晶石墨烯层以及完全由五边形和七边形构成的“五七石墨烯”（Pentaheptite）的电子态密度和Cq。总电容（C）由量子电容（Cq）和电解液双电层电容（Cl）串联决定（C⁻¹ = Cq⁻¹ + Cl⁻¹）。DFT计算结果表明，富含晶界的多晶石墨烯结构，由于其晶界缺陷引入了更多的电子态密度靠近费米能级，从而显著提升了材料的本征量子电容Cq。这种Cq的提升被认为是LIG-MSC表现出高面积比电容的重要因素之一。
本研究取得了一系列明确而重要的结果： 在材料制备与表征方面，成功实现了在环境条件下，通过一步CO₂激光辐照将商用PI膜转化为三维多孔石墨烯（LIG）。SEM和TEM结果显示LIG具有丰富的开放孔道和褶皱结构，BET比表面积约为340 m²/g。拉曼光谱和XRD证实了材料的高石墨化程度，但不同于玻璃碳，其具有独特的超多晶特征。Cs-STEM图像直接观测到了由五边形-七边形对构成的晶界。XPS显示碳原子含量从PI的71%显著提升至LIG的97%以上，氧和氮含量则急剧下降，表明激光的光热效应有效断裂了PI中的C-O、C=O和N-C键，并促使碳原子重排形成sp²杂化的石墨结构。 在电学性能方面，LIG表现出良好的导电性，最低方阻可达15 Ω/sq。激光功率对材料质量有显著影响，存在最佳功率范围（约4.8W），此时石墨晶域尺寸最大，材料质量最高。功率过低则转化不完全，功率过高则会导致材料氧化降解。 在电化学储能应用方面，基于LIG-4.8W电极的MSC器件表现出优异的性能。在1M H₂SO₄电解液中，在20 mV/s的扫描速率下，器件的面积比电容高达4.4 mF/cm²（对应材料重量比电容约120 F/g）。即使在极高的扫描速率10,000 mV/s下，CV曲线仍能保持准矩形，面积比电容仍超过1 mF/cm²，显示出卓越的倍率性能和功率特性（功率密度约9 mW/cm²）。恒流充放电曲线呈现近乎理想的三角形，进一步证实了其良好的双电层电容行为。器件在经历9000次循环后电容衰减可忽略不计，显示了出色的循环稳定性。在离子液体电解液中，器件的工作电压窗口可扩展至3.5V，展现出适应不同应用需求的潜力。理论计算部分为实验结果提供了有力支持：DFT计算表明，LIG中丰富的晶界结构（五边形-七边形对）能够有效提高材料的量子电容，这从电子结构层面解释了其高电容的部分来源。这种将原子尺度结构表征、宏观器件性能与第一性原理计算相结合的分析方法，为材料设计提供了深刻的见解。
本研究的结论是：开发了一种简单、一步法、可规模化且能直接图案化的技术，利用CO₂激光在环境空气中将商用聚合物（如聚酰亚胺）薄膜诱导转化为三维多孔石墨烯（LIG）。这种方法避免了复杂的前驱体处理、高温或苛刻的化学过程。所获得的LIG兼具高导电性、高比表面积和独特的超多晶结构，使其成为高性能微型超级电容器的理想电极材料。实验证明，基于LIG的MSC器件具有高面积比电容、优异的倍率性能、高功率密度和长循环寿命。理论计算首次揭示了此类材料中由五边形-七边形对构成的晶界有助于提升量子电容，从而增强电荷存储能力。这项工作的科学价值在于提出了一种全新的石墨烯制备与图案化范式，将激光加工技术与碳材料转化相结合，并深入揭示了材料微观缺陷结构与其宏观电化学性能之间的内在联系。其应用价值巨大，由于直接使用商业聚合物薄膜和激光加工，该技术极易与卷对卷（roll-to-roll）制造工艺集成，为低成本、大规模生产柔性、可穿戴电子设备所需的微型储能器件开辟了一条快速、高效的途径。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，方法学的重大创新：首次报道了利用红外激光一步法在环境条件下从商用聚合物直接生成并图案化多孔石墨烯，工艺极其简便，且具备大规模生产潜力。第二，优异的材料与器件性能：获得的LIG-MSC器件在面积比电容、倍率性能和功率密度等关键指标上，与当时报道的其他碳基MSC（如还原氧化石墨烯基器件）相比具有竞争力或更优。第三，深入的多尺度机理研究：结合了从宏观形貌（SEM）、微观结构（TEM/Cs-STEM）到原子尺度成像（观察到五边形-七边形缺陷）的全面表征，并首次通过DFT理论计算，将这种独特的超多晶缺陷结构与其增强的电荷存储能力直接关联，为理解缺陷工程在碳材料储能中的应用提供了新视角。第四，广泛的应用启发性：该技术不仅限于超级电容器，其简便的图案化能力和LIG的良好导电性，使其在柔性电子、传感器、催化等领域也具有广阔的应用前景。文中也提到，通过对LIG丰富的超多晶域进行化学掺杂，可能进一步提升其电容性能，这为后续研究指明了方向。