河北科技大学陈爱兵团队CEJ新进展：取向1D纳米纤维转化为2D多杂原子掺杂碳膜，助力高性能超级电容器

第一作者：许文师

通讯作者：陈爱兵

单位：河北科技大学

超级电容器凭借高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优势，在能源、电子、军事、医疗等领域展现出广阔应用前景。碳材料因低密度、质轻、来源广泛、稳定性好，成为超级电容器电极的理想候选材料。然而，碳基超级电容器的大规模工业化应用仍面临多重挑战。其一，低电容和低能量密度是制约其性能提升的关键瓶颈；其二，高性能碳材料制备过程复杂、成本高昂，增加了产业化难度；其三，先进技术难以实现广泛商业化，进一步限制了其推广应用。为突破这些瓶颈，杂原子掺杂成为提升碳电极电化学性能的重要策略。相较于单杂原子掺杂，双掺杂或多掺杂能通过协同作用进一步优化电极材料整体性能。同时，二维碳材料因比表面积大、离子扩散快、导电性好等优势，在构建高性能超级电容器方面很有潜力。基于此，开发兼具多杂原子掺杂优势与二维结构特性的碳材料，成为突破碳基超级电容器性能瓶颈的关键方向。

近日，河北科技大学陈爱兵教授团队在国际期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Fabricating two-dimensional multi-heteroatom-doped carbon films via aligned one-dimensional nanofibers for advanced supercapacitors”的研究论文。该研究提出一种创新策略，通过静电纺丝结合高温碳化工艺，将取向一维聚丙烯腈 / 磺丁基醚-β-环糊精钠盐（PAN/SCD）纳米纤维转化为二维氮氧硫三掺杂碳膜。这种 1D 到 2D 的结构转变，结合多杂原子协同掺杂效应，显著提升了碳材料的电化学性能，为高性能超级电容器电极材料的制备提供了思路。

图2展示了PAN/SCD-x材料的结构转化，随着SCD含量的增多，电纺纤维直径减小，串珠状结构增多，取向性下降。碳化后，PAN/SCD-0.2基本保持取向纤维结构，PAN/SCD-0.6形成二维膜状结构，而PAN/SCD-0.8则呈现纤维与少量膜共存形貌。SCD提高溶液导电性但破坏分子链缠结，导致纤维细化与成珠倾向；碳化过程中含义合适SCD量的纤维熔融重组为膜状结构。通过调控SCD含量和纤维取向，在碳化过程中实现纤维的横向融合与重组，形成连续二维片层结构，显著提升比表面积，提供更多电荷存储位点。

PAN/SCD-0.6具有最大的比表面积和孔体积，可以吸附更多的离子，从而提高电极的比电容。PAN/SCD-0.6 具有最高的氧含量（17.24%）和硫含量（3.41%），可促进电解质吸附 / 脱附，同时引入赝电容贡献。氮元素以吡啶 N、石墨 N 和 N-O 三种形式存在，提供了丰富的活性位点，并增强了碳基体导电性，降低电荷转移电阻。电化学测试表明，PAN/SCD-0.6 电极在 0.5 A/g 电流密度下比电容达 476.54 F/g。

为深入理解多杂原子掺杂的作用机制，研究团队构建了 19 种可能的杂原子掺杂模型，计算 了280 个吸附位点的 H⁺吸附吉布斯自由能（∆GH*）。单掺杂对比：氧掺杂体系的最低 ∆GH*（0.40 eV）低于氮掺杂（0.46 eV）和硫掺杂（0.51 eV），表明氧掺杂更易促进电荷存储。双掺杂协同：氮 - 氧共掺杂体系的最低∆GH*降至 0.19 eV，活性区域为相邻 N-H 与 C=O 键边缘的间位 C 原子。三掺杂突破：氮 - 氧 - 硫三掺杂体系的最低 ∆GH* 进一步降至 0.17 eV，且费米能级附近电子态密度显著提升，证实多掺杂通过协同调控电子结构，降低离子吸附能垒，提升电荷存储效率。

以 PAN/SCD-0.6 为电极组装对称超级电容器，表现出卓越性能。功率密度为 300 W/kg 时，能量密度达 22.26 Wh/kg，优于多数已报道的碳基对称超级电容器。2 A/g 电流密度下循环 10000 次后，电容保持率仍达 85.2%，归因于二维结构与多掺杂对碳骨架稳定性的协同增强。循环后阻抗增长缓慢，证实界面稳定性优异。

Fabricating two-dimensional multi-heteroatom-doped carbon films via aligned one-dimensional nanofibers for advanced supercapacitors

陈爱兵教授：无党派人士，河北省政协委员。现任河北科技大学化学与制药工程学院院长。主要研究方向是能量转换和储存，承担国家省部级项目30余项，发表SCI论文300余篇。

许文师博士，2022年博士毕业于南开大学化学学院，师从刘育教授。目前就职于河北科技大学化学与制药工程学院，研究方向主要集中在功能超分子组装体的构筑及其在超级电容器方面的研究。