中原工學(xué)院賈少培/河南科技大學(xué)穆云超課題組報(bào)道了采用蛋白質(zhì)為前驅(qū)體，混合粒徑（20和40納米）的MgO為模板制備了氮摻雜多級(jí)多孔碳（NMPC），作為鋅離子混合超級(jí)電容器的正極材料， NMPC由于其獨(dú)特的多層次貫穿孔隙結(jié)構(gòu)和氮摻雜，表現(xiàn)出高能量密度和高倍率性能。
迄今為止，基于碳材料的超級(jí)電容器已經(jīng)得到了廣泛的研究并初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。它們卓越的功率和循環(huán)壽命超越了其他儲(chǔ)能設(shè)備，使得超級(jí)電容器成為能源存儲(chǔ)設(shè)備領(lǐng)域的重要研究焦點(diǎn)。然而，基于碳材料的超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制是依靠碳材料的高比表面積形成的雙電層電容，這導(dǎo)致了其能量密度有限。相比之下，離子電池具有更高的能量密度，但由于離子擴(kuò)散緩慢而表現(xiàn)出較差的倍率性能。為了解決這一不平衡問題，金屬離子混合電容器被引入，試圖創(chuàng)造一種兼具高功率密度和高能量密度的儲(chǔ)能裝置。鋅離子混合超級(jí)電容器（ZHSCs）巧妙地結(jié)合了電容器型電極（具有高比表面積的碳材料）和電池型電極。在這些混合電容器中，電池型電極提供高能量密度，而電容器型電極則提供高功率密度。且因其低標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(Zn/Zn2+, ?0.76 V vs. SHE)安全性好且充放電傳輸動(dòng)力學(xué)快而被廣泛關(guān)注。 然而，由于活性位點(diǎn)密度低、活性位點(diǎn)利用不足以及碳基陰極對(duì)離子的可及性有限等問題，ZHSC仍未能達(dá)到令人滿意的鋅離子存儲(chǔ)能力。在水系鋅離子電解液中，[Zn(H2O)6]2+被確認(rèn)為充放電過程中的主要載流子，其較大的離子尺寸（0.86 nm）不利于載流子吸附到多孔碳材料的微孔中，導(dǎo)致比表面積利用不足和存儲(chǔ)容量受限。因此，匹配的孔徑和高比表面積對(duì)于實(shí)現(xiàn)高容量和高倍率的ZHSC至關(guān)重要。 鑒于此，中原工學(xué)院賈少培/河南科技大學(xué)穆云超團(tuán)隊(duì)提出了一種新策略，通過混合粒徑（20 nm和40 nm）的氧化鎂模板構(gòu)建不同尺寸的孔隙的氮摻雜多孔碳材料（NMPC）來提高正極材料對(duì)水性電解質(zhì)的接觸，進(jìn)而提升Zn2+存儲(chǔ)能力以及倍率性能?；旌狭郊{米氧化鎂作為模板，以廉價(jià)的蛋白質(zhì)用作NMPC的氮源和碳源。優(yōu)化的HT-NMPC-1/1表現(xiàn)出微孔、介孔和大孔的組合結(jié)構(gòu)，比表面積高達(dá)1405.9 m2 g-1。此外，它還富含氧和氮的功能基團(tuán)。重要的是，得益于介孔和大孔之間的連通性，小尺寸微孔得到了充分利用，同時(shí)確保在高充放電電流密度下離子可以快速傳輸。以HT-NMPC-1/1為正極組裝的ZHSC在41.4 kW kg-1的高功率密度下顯示出高達(dá)155.2 Wh kg-1的能量密度量以及長達(dá)8000次循環(huán)后仍保持93.09%容量的超長壽命。這一策略為低成本和高性能超級(jí)電容器、離子電池及電催化設(shè)備的碳基多孔電極材料的合成提供了有前景的方法。 論文信息 Hybrid Particle Size Template Method for Controllable Synthesis of Nitrogen-Doped Multilevel Porous Carbon as High-Rate Zn-Ion Hybrid Supercapacitor Cathode Materials Yanfeng Gao, Shaopei Jia, Xiaofei Ma, Yunfei Cao, Quan Huang, Qian Zhang, Yanjie Wang, Meng Song, Zhixin Wang, Haijiao Hu, Jingxuan Chen, Yunchao Mu Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202403632
