广西大学王才威Small—通过耦合化学活化调控多孔炭材料的介孔结构用于高性能锌离子混合电容器

第一作者：王才威

通讯作者：王才威*

单位：广西大学

锌离子混合电容器（ZIHC）作为一种高效、安全的电化学储能系统，凭借其高能量/功率密度和低成本优势，在大规模储能领域具有重要应用前景。其性能主要受限于多孔碳阴极较差的锌离子存储能力与高容量锌阳极之间的严重不匹配。因此，设计具有适宜孔结构的高性能多孔碳阴极成为推动ZIHC实用化的关键。研究表明，分级孔结构（微孔与介孔结合）有助于兼顾水合锌离子（[Zn(H₂O)₆]²⁺）的存储与传输，并可利用杂原子掺杂提升伪电容。然而，目前微孔尺寸对离子存储与传输的影响机制尚不明确，且化学活化法常导致曲折微孔和杂原子损失，限制了离子可及性与扩散动力学。因此，如何在多孔碳中同时实现可接近的微孔结构、快速离子扩散及有效杂原子掺杂，仍是当前研究的重要挑战。

近日，来自广西大学的王才威助理教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Porous Carbons with Tunable Mesoporous Structure Induced by Coupled Chemical Activation for High-Performance Zinc Ion Hybrid Capacitors”的研究文章。该研究文章提出0.6-1 nm的微孔作为存储位点来容纳Zn²⁺离子，1-2 nm的微孔和2-4 nm的介孔则负责将Zn²⁺离子传输至0.6-1 nm的微孔。

本文开发了一种新颖的NaOCN与Na₂CO₃耦合化学活化策略，用于精确调控多孔碳纳米片（PCNs）的孔结构。通过调控前驱体中三聚氰胺（MA）与碱木质素（AL）的质量比，实现了对0.6–1 nm微孔、1–2 nm大微孔及2–4 nm介孔的可控制备。该策略克服了传统化学活化（如KOH）易造成孔道曲折和杂原子损失的问题，为设计高性能锌离子混合电容器（ZIHCs）正极材料提供了新途径。

研究通过实验与理论计算相结合，明确了不同尺寸孔道在ZIHCs中的具体功能：0.6-1 nm的微孔是水合Zn²⁺离子（[Zn(H₂O)₆]²⁺）的主要存储位点，具有较高的吸附能，有利于形成稳定的双电层电容；而1-2 nm的大微孔和2-4 nm的介孔则主要承担离子的快速传输功能，其吸附能接近于零，动力学阻力小。这一发现澄清了微孔在离子存储与传输中的双重角色。

优化制备的PCN-0.5材料（MA/AL = 0.5）具有最高的0.6–1 nm微孔比例（23.8%）和1–2 nm微孔比例（30.0%），并结合了丰富的边缘氮和羰基（C=O）活性位点。基于该正极组装的ZIHCs展现了优异的综合性能：高比电容（339 F g^-1 at 0.1 A g^-1）、出色的倍率性能（66 F g^-1 at 100 A g^-1）和超长循环寿命（40,000次循环后容量保持率99.9%），其能量密度高达121 Wh kg^-1（80 W kg^-1），即使在超高功率密度40,435 W kg^-1下仍能保持44 Wh kg^-1。

本研究不仅成功制备了高性能多孔碳正极，更从“微孔视角”深化了对ZIHCs电荷存储机制的理解。研究表明，以0.6–1 nm和1–2 nm微孔为主的微孔结构，因其能同时提供充足的离子存储位点和快速的离子传输通道，其动力学性能甚至优于包含介孔的分级孔结构（仅在超高电流密度下分级孔结构传输优势更明显）。这为未来设计兼顾高容量与高功率的电容型正极材料提供了宝贵的理论依据和实践指导。

Porous Carbons with Tunable Mesoporous Structure Induced by Coupled Chemical Activation for High-Performance Zinc Ion Hybrid Capacitors.

王才威助理教授简介：2023年博士毕业于华南理工大学。工作主要聚焦于木质素衍生功能碳材料的微观结构调控及电容性能研究，目前以第一作者/通讯作者身份在Chemical Engineering Science、Small、Green Chemistry、Bioresource Technology、Journal of Colloid and Interface Science、ACS Applied Materials & Interfaces、Industrial Crops and Products、Fuel、Carbon Research、EnergyChem等期刊发表学术论文20余篇。