天津大学封伟教授团队和合作者Small: 新型聚合物微球衍生碳材料实现高性能水系储锌

碳材料由于其比表面积大、化学性质稳定、导电性优异等性质，是电极及电化学储能应用领域的重要材料。无定型多孔碳材料作为重要的一类，可通过对合成高分子、生物质、纳米材料、有机小分子等前驱体进行热裂解制备获得；又因为原材料和热解碳化机制多样化，制备的碳材料种类多样。大多数工作表明，调控碳材料组成是调控其理化性能最为普遍的手段。此前，团队曾通过一步碳化含N,F类的有机物获得了功能型掺杂多孔碳材料；遗憾的是，调控其组成通常会对其他性质（结构、形貌、比表面积、堆积密度等）产生影响。为此，开发一类结构组成都具可控性的碳材料非常具有挑战性。

基于以上背景，天津大学封伟教授领导的FOCC团队联合浙江科技学院的刘赫扬教授和浙江清华柔性电子技术研究院张飞副研究员报道了一类掺杂的多孔碳微米球材料，能够在保持形态、孔结构等参数下选择性的实现组成调控，进而研究碳材料组成对碳电极在水系ZIC中的储锌影响。如图1所示，首先通过溶剂热有机反应制备了一类聚合物微纳米材料，外观呈现深棕色，显微下展示出均匀的球形态；通过结构组成分表明，该类聚合物材料具有丰富的杂环和芳环结构、具有高度的元素掺杂、和较高的交联状态；是新型一类碳前驱体材料。

这项工作以“Solvothermal Synthesis and Pyrolysis Toward Heteroatom-Doped Carbon Microspheres for Zinc-Ion Hybrid Capacitors”为题发表在《Small》（DOI: 10.1002/smll.202308788）期刊上。浙江科技学院青年教师黄凌琪为文章的第一作者；天津大学封伟教授、浙江科技学院刘赫扬教授和浙江清华柔性电子技术研究院张飞副研究员为文章的共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金和浙江省重点研发计划项目的支持。

铁离子会影响溶剂热反应，从而影响聚合物微米球材料的组成。因此，可以通过调控溶剂热反应来改变聚合物组成。由于有机官能结构对铁离子亲和性适中，使得铁元素能够很好的分散在聚合物分子结构中；并能在碳化过程中原位形成活性结构，用于提供赝电容。如图3所示，经过FIB蚀刻及能谱分析表明碳球整体元素分布均匀。此外，一系列的物性分析表面，经过设计的碳材料在相结构、孔结构、比表面积等相似的情况下可以选择性的调控碳球的组成，能够为碳材料在ZIC储能应用提供一些思路（如图4）。

本研究通过实验和计算证明了溶剂热下有机偶联/交联可获得富含杂原子和杂环结构的球形交联聚合物；通过碳化聚合物，选择性的实现了碳微纳米球材料组成可控，并且基于制备的碳材料获得了高性能、高稳定性的Zn//C混合电容器。

https://doi.org/10.1002/smll.202308788

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