【复材资讯】院士团队，多孔碳再突破

锌离子混合超级电容器（ZHSCs）是一种用于高效储能的新型电容器，然而单层阴极材料往往受到低电荷存储动力学的影响。

2月17日，加拿大纽布伦斯威克大学倪永浩院士、天津科技大学轻工科学与工程学院刘洪斌、安兴业团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Gradient Porous Carbon Superstructures for High-efficiency Charge Storage Kinetics”的研究论文。

该研究开发了一种具有增强电荷存储动力学的创新梯度多孔碳超结构，通过设计浓度梯度碳超结构来促进快速、定向离子传输和高效离子存储。优化微孔尺寸和介孔尺寸的梯度孔设计增强了水合锌离子的扩散，有利于高效脱溶和Zn⊃2;⁺的储存。此外，N/O共掺杂降低了C-O-Zn键形成的能垒，增加了碳材料的缺陷密度和电导率，从而提供了伪电容。进一步的石墨化提高了导电性和润湿性，而高比表面积提供了丰富的活性位点。采用这种梯度多孔碳超结构制备的ZHSCs在503.6 W kg-1的功率密度下表现出101.8 Wh kg-1的高能量密度，优于报道的基准材料。也被证明具有超过10,000次循环的超常充放电循环稳定性。该研究提出了一种提高超级电容器电荷存储动力学的有效策略。

图1. 制备核/壳梯度多孔碳的示意图。

图2. a) FTIR光谱，b) N2吸附等温线，c) HK-BJH曲线（插图显示微孔分布扩大）。d-f) 不同DQ含量（0.5, 0.75, 1 g L−1）下ZIF-8和DQTT@ZIF前体的HR-FESEM图像。DQTT@ZIF前体的h) TEM和i) STEM图像。

图3. a) N2吸附/解吸等温线。b,c) K1:1CDQ0.5TT@ZIF与C-ZIF的孔径分布曲线比较。[Zn(H2O)6]2+离子在层距分别为d) 0.88 nm、e) 0.93 nm和f) 1.48 nm的双层石墨烯上吸附的优化结构，用于NLDFT计算吸附能。g,h) 高分辨率N 1s和O 1s光谱。i) 不同活化比下梯度多孔碳超结构的拉曼图。

图4. 碳超结构的石墨化分析。

图5. a) K1:1CDQ0.5TT@ZIF的电容与半循环时间平方根的关系。b) KOH活化比为1:1时的扩散贡献和电容贡献。c) 扫描速率为100 mV s−1时，CV曲线总电流（实线）中的快速动力学区域（红色区域虚线）和慢速动力学区域区（紫色区域）。d) 不同电流密度下的GCD曲线和e) 不同扫描速率下的CV曲线。f) 不同KOH活化比下的倍率性能。g) C-ZIF与K1:1CDQ0.5TT@ZIF在10000次循环中的稳定性比较。h) 不同KOH活化比的碳超级电容器的五种性能对比的雷达图。i,j) ZIF-8衍生碳和梯度多孔碳超结构的电荷存储示意图。

图6. 组装式超级电容器的电荷存储机制。

图7. 组装式超级电容器的动力学性能表征。

总之，研究人员报道了一种具有集成异质结构的梯度多孔碳超结构的合成方法，旨在增强表面诱导电容主导体系中的电荷存储动力学。这些超结构增强了Zn⊃2;⁺离子的有效传输和存储。此外，梯度多孔碳超结构利用N/O共掺杂、石墨化和超高SSA的协同效应，实现了比单层阴极材料更高的表面诱导电容。

与以往的单层阴极材料不同，研究人员设计的梯度孔超结构导致电荷存储动力学增强，从而克服了单层碳阴极低电荷存储动力学的难题。梯度孔设计有利于水合锌离子的扩散和有效脱溶。浓度梯度使锌离子在充电过程中快速释放，在放电过程中有效捕获，从而显著提高整体电荷存储动力学。其次，N/O共掺杂引入了额外的活性位点，通过形成C-O-Zn键增强了锌离子的吸附能力。石墨化提高了导电性能、润湿性和表面反应性，而超高的SSA增加了可用的存储位置。总之，研究人员提出了一种结合梯度孔、杂原子掺杂和石墨化的综合策略，以增强锌离子存储器件中的电荷存储动力学，为高性能、稳定和可持续的储能解决方案铺平道路。

来源：Carbontech

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原标题：《【复材资讯】院士团队，多孔碳再突破》

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