邱介山Nano Res.：具有良好介孔的长短程互连多孔碳助力高能量密度超级电容器

Nanoyu

2021-08-28

从生物质中提取的非晶态碳结合了大比表面积和丰富的微孔的优点，为离子在电解液中的吸附提供了大量的锚定点。然而，非晶态碳的短程有序结构阻碍了电子的快速转移。相反，具有长程有序结构的石墨碳有利于电子转移。因此，需要一种低成本的策略将分级多孔结构与长程有序结构相结合，得到长/短程互连的多孔碳，从而导致快速的离子和电子转移。

近日，大连理工大学邱介山教授，于畅教授为了将长程有序结构原位植入无定形生物基碳中，利用石油沥青液相碳化的固有特性，报道了提出了一种石油沥青介导型共转化技术来改变生物质的固相转化/碳化过程，从而在小范围内构筑具有长短耦合有序结构的软硬炭材料（SHCS）。

文章要点

1）共转化可以调节碳骨架中的π共轭结构，获得较高的比表面积（>2000 m² g⁻¹），提高生物质碳的产率，从而有助于提高电子转移和离子迁移能力。因此，在6 M氢氧化钾（KOH）中，石油沥青介导的共转化法制备的长短程互连炭在1 A g⁻¹下的电容可达387 F g⁻¹。

2）原位嵌入小范围的碳物种，在碳骨架中具有长程有序结构，可以降低整个碳的电荷转移电阻，提高电子转移能力。因此，即使在100 A g⁻¹的条件下，SHCS的比容量仍能保持273 F g⁻¹，远远优于生物质硬炭（HC）（6 F g⁻¹@100 A g⁻¹）。此外，介孔比例高达60%左右，有利于其在高粘度离子液体电解质中的应用。

3）实验结果显示，以EMIMBF₄为电解质的SHC器件在2 kW kg^-1下表现出174 Wh kg^-1的高比能量，并且在78 Wh kg^-1仍保持着50 kW kg^-1的优异比功率。

4）研究人员提出了一个可视化的模型来阐明表面化学、孔结构和相应的离子在水和离子液体电解质中的扩散能力之间的关系。

总之，所制备的长/短程互连碳与介孔相偶联，同时具有快速离子转移和电子转移的优点，从而使组装后的超级电容器具有优异的性能。

参考文献

Yuanyang Xie, et al, A long/short-range interconnected carbon with well-defined mesopore for high-energy-density supercapacitors, Nano Res., 2021

DOI: 10.1007/s12274-021-3676-5

https://doi.org/10.1007/s12274-021-3676-5