【复材信息】院士团队，多孔碳再次突破

03-09 06:21

锌离子混合和超级电容器（ZHSCs）虽然单层负极材料通常受低电荷储存动力学的影响，但它是一种用于高效储能的新型电容器。

2月17日，天津科技大学轻工科学与工程学院加拿大纽布伦斯威克大学倪永浩教授刘洪斌和安兴业团队在Advanced Functional 《Materials期刊》的题目是“Gradient Porous Carbon Superstructures for High-efficiency Charge Storage Kinetics"研究论文。

该研究开发了一种创新的梯度多孔碳超结构，具有增强电荷存储动力学，通过设计浓度梯度碳超结构，促进快速、定向离子传输和高效离子存储。提高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Zn⊃2;⁺的储存。此外，N/O共夹杂减少了C-O-由Zn键组成的能垒提高了碳材料的不足密度和电导率，从而提供了伪电容。石墨化进一步提高了导电性和润湿性，而高比表面提供了大量的活性位点。ZHSCs采用这种梯度多孔碳超构造制备，503.6 W kg-1在功率密度下显示101.8 Wh kg-一是能量密度高，优于报告标准材料。还证实了超常充放电循环的稳定性，超过10,000次循环。该研究提出了一种有效的提高超级电容器电荷存储动力学的策略。

图1. 制作核/壳梯多孔碳示意图。

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) 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h) TEM和i) STEM图像。

图3. a) N2吸附/分析等温线。b,c) K1:1CDQ0.5TT@ZIF与C-比较ZIF的孔径分布曲线。[Zn(H2O)6]2 离子体的层距分别为d) 0.88 nm、e) 0.93 nm和f) 1.48 用于NLDFT计算吸附能量的nm双层石墨烯吸附优化结构。g,h) 高分辨率N 1s和O 1s光谱。i) 与下梯度多孔碳超结构的拉曼图相比，活性不同。

图4. 石墨化分析碳超结构。

图5. a) K1:1CDQ0.5TT@半循环时间平方根与ZIF电容的关系。b) KOH活性比为1:一时的扩散奉献和电容奉献。c) 扫描速度为100 mV s−CV曲线总电流(实线)中的快速动力学区域(红色区域斜线)和慢速动力学区域(紫色区域)。d) GCD曲线和E在不同电流强度下) CV曲线的扫描速度不同。f) 在KOH活性比下，倍率性能不同。g) C-ZIF与K1:1CDQ0.5TT@在10000次循环中，ZIF的稳定性比较。h) 五种性能对比的雷达图，不同KOH活性比的碳超级电容器。i,j) ZIF-8衍化碳及梯度多孔碳超结构电荷存储示意图。

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性能表现。

简而言之，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，旨在增强电容主导系统中电荷存储动力学的表面诱导。这些超结构增强了Zn。⊃2;⁺离子的有效传输和储存。此外，梯度多孔碳超结构采用N/O夹杂、石墨化和极高SSA的协同作用，完成了比单层负极材料更高的表面诱导电容。

与以往的单层负极材料不同，研究人员设计的梯度孔超结构增强了电荷存储动力学，从而解决了单层碳负极低电荷存储动力学的难题。梯孔设计有利于水合锌离子的扩散和有效脱溶。在充电过程中，浓度梯度使锌离子迅速释放，在放电过程中有效捕捉，从而显著提高整体电荷存储动力学。其次，N通过形成C，/O共夹杂引入了额外的活性位点，-O-Zn键提高了锌离子的吸附能力。石墨化学提高了导电性、润湿性和表面反应性，而超高的SSA增强了可用的存储位置。简而言之，研究人员提出了加强锌离子存储器件中电荷存储动力学的综合策略，结合梯度孔、杂原子夹杂和石墨化，为高性能、稳定和可持续的储能解决方案铺平道路。

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