济南大学杨树华，JPS成果：高导电性3D交联多孔碳纤维用于锌离子混合超级电容器

第一作者：王上

通讯作者：杨树华*

单位：济南大学

当碳纤维用作阴极时，其导电性和孔结构对锌离子混合超级电容器（ZHSCs）的电化学性能具有显著影响。微孔能为离子提供活性位点和存储空间，中孔可构建快速离子传输通道，而大孔则能作为离子的缓冲空间。因此，构建具有适宜分级多孔结构的碳纤维电极材料，可能有效提升ZHSCs的电化学性能，如电容和能量密度。与活性炭相比，基于静电纺丝技术制备的碳纤维比表面积和孔隙率相对较低，这影响了锌离子的快速传输，导致其电化学双电层电容不足。此外，由于静电纺丝碳纤维的微观结构通常依靠各碳纳米纤维之间的物理接触形成，纤维间的电子传输受到严重限制。因此，在保持分级多孔结构的同时进一步提升静电纺丝碳纤维的导电性，仍然是一个巨大挑战。

近日，来自济南大学的杨树华等，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Highly conductive 3D cross-linked porous carbon fibers for zinc-ion hybrid supercapacitors”的研究论文。本研究通过聚丙烯腈（PAN）静电纺丝与氯化锌（ZnCl₂）诱导交联活化协同策略，成功开发出高导电三维交联多孔碳纤维（3D-PANC-x）。氯化锌构建的三维交联结构显著增强了静电纺碳纤维的导电性与结构稳定性。同时，氯化锌的活化作用赋予碳纤维高比表面积和优化的分级多孔结构，这不仅提供了丰富的电化学活性位点，还有效促进了锌离子的高效传输。

通过静电纺丝聚丙烯腈/氯化锌混合溶液并伴随碳化过程，成功制备了三维交联分级多孔碳纤维（3D-PANC-x）。得益于氯化锌诱导交联与活化的双重作用，碳纤维中形成了三维交联结构，有效降低了纳米纤维间的接触电阻，显著提升了碳纤维的导电性与稳定性。同时，该工艺构建了碳纤维的分级多孔结构，为锌离子提供了快速传输通道与丰富的存储位点。

通过调控氯化锌的添加量，可有效调节碳纤维的交联程度与孔结构，从而协同提升碳纤维的孔隙率与导电性。其中，优化后的碳纤维（3D-PANC-10%）展现出高导电性、大比表面积（564.33 m² g⁻¹）以及包含丰富微孔与中孔的分级多孔结构。基于3D-PANC-10%作为阴极的锌离子混合超级电容器表现出优异的电化学性能：高比容量（215 mAh g⁻¹，折合483.8 F g⁻¹）、良好的循环稳定性（在0.5 A g⁻¹电流密度下循环10,000次后容量保持率达84.2%），以及出色的倍率性能（电流密度从0.5 A g⁻¹增至5 A g⁻¹时容量保持率为62.7%）。

Shang Wang, Wenqing Fu, Yanwei Cui, Yichen Hou, Tianchen Ma, Shuhua Yang, Highly conductive 3d cross-linked porous carbon fibers for zinc-ion hybrid supercapacitors. J. Power Sources, 2026, 666: 239187.

杨树华，男，济南大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师。2015年毕业于上海交通大学材料科学与工程专业，获博士学位。2020-2021年新加坡南洋理工大学访问学者。目前主要从事功能材料的设计和合成，以及其在超级电容器和电池中的应用。主持国家自然科学基金，山东省自然科学基金，企业项目多项。近年来，在Energy Storage Materials，Advanced Science，Energy & Environmental Materials等期刊上发表50余篇SCI论文，申请发明专利20余项，已授权专利15项。