华中科大卢兴、张盼盼团队CEJ：富勒烯衍生长程有序多孔碳的欧姆接触界面工程用于稳定的Na+混合型电容器- 大数跨境

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华中科大卢兴、张盼盼团队CEJ：富勒烯衍生长程有序多孔碳的欧姆接触界面工程用于稳定的Na+混合型电容器

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2025-12-08

导读：华中科大卢兴、张盼盼团队CEJ：富勒烯衍生长程有序多孔碳的欧姆接触界面工程用于稳定的Na+混合型电容器

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文章信息

富勒烯衍生长程有序多孔碳的欧姆接触界面工程用于稳定的Na⁺混合型电容器

第一作者：邵俊东，高明明

通讯作者：黄英*，杨胜*，付钰彬*，张盼盼*，卢兴*

单位：华中科技大学、武汉工程大学、上海交通大学、东南大学

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研究背景

钠离子电容器（SICs）因钠资源丰富、成本低廉，在大规模应用中前景广阔。然而，由于钠离子半径较大导致的反应动力学缓慢，限制了其能量密度、倍率性能和循环稳定性。因此开发具有高比容量、快速离子传输和长循环寿命的电极材料成为钠离子储能领域的主要挑战。近期，长程有序多孔碳（LOPC）作为一种新型富勒烯衍生碳材料，具有由互连C60笼构成的三维有序结构。与石墨烯基材料相比，C60笼互连产生的纳米孔径有助于空间载流子传输。同时，sp2杂化碳骨架表现出增强的电子离域，提高了电子沿碳骨架的迁移率。此外，在C60结点形成的sp3杂化缺陷位点可以作为具有赝电容储能能力的额外活性位点。因此，探索LOPC基储能材料具有重要意义。

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文章简介

近日，华中科技大学卢兴教授（通讯作者）、张盼盼教授（通讯作者）与武汉工程大学黄英特聘副教授（通讯作者）、上海交通大学杨胜副教授（通讯作者）、东南大学付钰彬研究员（通讯作者）等人通过在LOPC与电剥离石墨烯（EG）之间构建欧姆接触，开发了L-EG复合材料。该欧姆接触加速了电子从EG向LOPC的传输，并形成了具有高电子迁移率的无势垒界面区。电化学测试表明，原始LOPC因严重的结构塌陷和受限的离子动力学，导致倍率性能和循环稳定性较差。机理分析揭示，其电荷存储主要涉及可逆的Na⁺嵌入/脱出过程，并在充放电过程中伴随(C₆₀)_n与Na₃_n(C₆₀)_n之间的结构演化。为解决此问题，张盼盼团队将LOPC颗粒均匀分散于EG层间，通过欧姆接触实现了界面工程。所制备的L-EG电极表现出优异的倍率性能（电流密度从0.1 A g⁻¹增至5 A g⁻¹时，容量保持率为58.8%）和良好的循环稳定性（1000次循环后容量为初始的113.7%）。进一步研究表明，LOPC与EG间的欧姆接触提供了快速钠离子迁移路径，抑制了离子聚集，保持了结构完整性，从而提升了电化学性能。将L-EG负极与活性炭（AC）正极组装成L-EG//AC钠离子电容器，该器件实现了82.1 Wh kg⁻¹的最大能量密度和出色的循环性能（20,000次循环后电容保持率为72.3%）。

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本文要点

要点一：L-EG欧姆接触形貌结构表征

采用XRD、Raman、SEM、HR-TEM、XPS等测试手段对其结构和形貌进行表征，同时辅助以UPS、理论计算，验证了LOPC与EG之间的欧姆接触结构（图1）。

Fig. 1. Synthesis and characterizations of L-EG. (a) Schematic representation of the ohmic contact with the electron flow between LOPC and EG. (b) Side-view SEM images of the L-EG films. (c, d) TEM and HRTEM images of L-EG. (e) XRD patterns, (f) Raman spectra, and (g) FT-IR spectra of LOPC powder, EG film, and L-EG film. (h) C 1 s XPS spectrum of L-EG film. (i) Density of states of LOPC, EG, and L-EG. (j) Schematic diagram of band structures of L-EG before and after contact (Evac: vacuum energy level; Ec: conduction band; Ev: valence band; Efm: Fermi level of EG; Efs: Fermi level of LOPC).

要点二：纯LOPC赝电容机理研究

通过三电极系统对纯LOPC电极在1 M NaPF₆电解液中进行电化学性能测试。原位Raman，非原位XRD、非原位FT-IR、非原位XPS等测试表明，其电荷存储主要涉及可逆的Na⁺嵌入/脱出过程，并在充放电过程中伴随(C₆₀)_n与Na₃_n(C₆₀)_n之间的结构演化。此外，循环前后的SEM，GITT等表征表明，原始LOPC因严重的结构塌陷和受限的离子动力学，导致倍率性能和循环稳定性不理想（图2）。

Fig. 2. Electrochemical behavior and charge storage mechanism of L-EG electrode. (a) GCD curves of the LOPC electrode at 0.1 A g⁻¹ of the initial 10 cycles. (b) CV curves of the LOPC electrode at 0.3-3.0 mV s⁻¹. (c) Rate performance and cycling performance of the LOPC electrode. (d) The linear fits of vs. plots for each redox peak in CV curves. (e) CV curve of the LOPC electrode with separation between the total (grey) current and the capacitive (blue) current at 1 mV s⁻¹. (f) Normalized contribution ratios of the diffusion-controlled and capacitive currents as a function of scan rate. (g, h) GCD curve of the LOPC electrode at 0.5 A g⁻¹ and the corresponding in situ Raman spectra of the LOPC electrode. (i) Ex situ FT-IR spectra and (j) Ex situ C 1 s XPS spectra of the LOPC electrode. (k) Schematic illustration of Na⁺ storage mechanism in LOPC during the charge/discharge process.

要点三：L-EG赝电容行为研究

通过三电极系统对L-EG电极在1 M NaPF₆电解液中进行电化学性能测试。通过电化学分析与理论计算表明，LOPC与EG间的欧姆接触提供了快速钠离子迁移路径，抑制了离子聚集，保持了结构完整性，从而提升了电化学性能。所制备的L-EG电极表现出优异的倍率性能（电流密度从0.1 A g⁻¹增至5 A g⁻¹时，容量保持率为58.8%）和良好的循环稳定性（1000次循环后容量为初始的113.7%）（图3）。

Fig. 3. Electrochemical behavior and charge storage mechanism of L-EG electrode. (a) GCD curves of L-EG (1:3), EG, and LOPC electrodes at 0.1 A g⁻¹. (b) CV curves of the L-EG (1:3) electrode at 0.3–3.0 mV s⁻¹. (c) Rate performance and (d) cycling performance of L-EG (1:3), LOPC, and EG electrodes at 0.5 A g⁻¹. (e) Nyquist plots of EG, LOPC, and L-EG (1:3) electrodes before cycling test. Inset: fitted circuit diagrams. (f) Performance comparison between L-EG, LOPC, and EG electrodes. (g) Ex situ TEM and HRTEM images of L-EG electrodes before and after 1000 cycles. (h) GITT curves and ion diffusion coefficients of L-EG and EG electrodes at a current density of 0.1 A g⁻¹. (i) The charge density of L-EG. (j) The migration energy barriers on the surface of L-EG and LOPC. (k) Schematic diagram of performance enhancement of L-EG.

要点四：L-EG//AC非对称Na⁺混合型电容器

为证明L-EG潜在的商业应用价值，以L-EG为负极、活性炭为正极、1M NaPF₆为电解液，组装成非对称混合型电容器。器件拥有3.5 V的宽电压，能量密度可达82.1 Wh kg⁻¹，循环20000圈容量还能保持72.3%，展现出良好的电化学性能（图4）。

Fig. 4. Electrochemical performance of L-EG//AC SICs. (a) Schematic illustration of L-EG//AC SICs. (b) CV curves of L-EG anode, AC cathode, and L-EG//AC SIC at 1 mV s⁻¹. (c) GCD curves of L-EG//AC SIC at 0.1–2.0 A g⁻¹. (d) Rate performance of L-EG//AC SIC. (e) Ragone plots of L-EG//AC SICs in comparison with other reported SICs. (f) Cycling performance of L-EG//AC SIC at 5 A g⁻¹. (g) Nyquist plots of L-EG//AC SIC before and after cycling test. Inset: fitted circuit diagram.

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文章链接

Ohmic contact interface engineering of fullerene-derived long-range ordered porous carbon-based anodes for durable sodium-ion capacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171565

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通讯作者简介

张盼盼教授简介（华中科技大学）：湖北省海外高层次人才和武汉市“武汉英才”优秀青年人才入选者。主要从事二维晶态材料的设计制备及其储能器件应用，在新型赝电容材料的可控制备、性质调控、结构优化、储能机制研究以及器件的微型化、高性能、多功能方面取得了一系列原创性学术成果，目前主持国家自然科学基金青年项目、科技委基础加强基金项目、武汉市自然科学基金探索计划项目以及重点实验室开放基金项目等，作为核心成员参与国家重点研发计划项目。已在Chem. Soc. Rev., PNAS, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Nano等期刊上共发表学术论文80余篇，其中一作（含共同）/通讯作者文章40余篇，8篇ESI高被引论文，总引用10000余次，H因子55。担任eScience、Rare Metals、Carbon Neutralization等期刊青年编委。

卢兴教授简介（华中科技大学）：海外高层次人才计划入选者和国家杰出青年科学基金获得者。从事新型碳材料的基础研究与应用开发，在金属掺杂碳分子及其组装体的结构性能调控、应用等方面取得了系列有影响的结果。受到诸如诺奖得主Kroto和美国化学会前主席Echegoyen等知名学者的高度评价；代表性成果入选JACS“焦点论文”及RSC“热点论文集锦”等，Chemistry World报道“中国科学家首次获得‘难形成(elusive)’的金属离子键”。在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Sci.，等期刊发表论文200余篇，主编专著5部，受邀撰写综述20余篇。曾获第十二届“中华人民共和国驻日本大使奖”和第七届日本富勒烯学会“大泽赏”。

黄英特聘副教授简介（武汉工程大学）：主要从事新型二维能源材料、可再生能源衍生物电极材料的可控制备以及柔性储能和可穿戴器件应用，主持和参与国家以及省市级项目。以第一/通讯作者身份在Energy Environ. Sci., Adv. Func. Mater., Mater. Today, Energy Storage Mater.等期刊上发表论文20余篇，共发表SCI论文30余篇。