成果簡介
碳材料因其原料豐富、化學結構穩定、導電率高、環境友好、電化學穩定性高等優點，被廣泛應用於超級電容器和鋅離子混合電容器等儲能裝置中。超級電容器透過在碳電極-電解液介面對帶電物種的可逆吸附和解吸來儲存電化學能量，從而在幾秒鐘甚至微秒內實現快速的能量收集和釋放，其理論工作壽命可超過100萬次。在碳骨架中構建均勻的電化學活性中心可以增加器件的贗電容，進一步提高器件的儲能效能。不幸的是，這種情況總是伴隨著緩慢的電化學動力學和由雜原子基團引起的骨架堅固性衰減，導致電極活性顯著喪失和功率/迴圈永續性不足。因此，從理論上講，構建的儲能裝置很難實現數百萬次迴圈。事實上，目前報道的碳基儲能裝置的使用壽命很少超過200000次迴圈，特別是在高電流密度下，最終限制了高效能碳基電化學器件的發展和應用。因此，迫切需要設計穩定的奈米碳材料，在保證碳骨架電化學活性的基礎上進一步改善電極的電荷儲存動力學。
本文，同濟大學化學科學與工程學院劉明賢教授（通訊作者）、宋子洋（第一作者）在《Adv. Mater》期刊發表名為“Self-Assembled Carbon Superstructures Achieving Ultra-Stable and Fast Proton-Coupled Charge Storage Kinetics”的論文，研究提出了一種基於“質子鹽”型多孔有機聚合物設計碳超結構的策略，利用−NH2+Cl−−基團聯結的電子屬性互補的三聚氯氰和2, 6-二氨基蒽醌有機分子形成“質子鹽”型多孔聚合物框架，然後聚合物骨架透過分子內氫鍵和π−π平面堆疊進而自組裝形成奈米顆粒嵌入的層狀碳超結構。研究表明，所設計的超結構碳材料可以有效降低結構中化學缺陷處的離子結合能壘，促進電極表面的質子耦合電荷儲存過程，因而賦予構築的超級電容器非凡的高倍率迴圈壽命（在100 A g−1電流密度下，一百萬次迴圈後能量保持93.1%）和優異的能量密度（128 Wh kg−1）以及功率輸出（29.7 kW kg−1）。這項工作為透過結構工程和表面化學的設計改善碳材料電荷儲存行為提供了新的見解。
圖文導讀
圖1. 超結構碳材料的合成示意圖.
圖2. 基於超結構碳電極和硫酸電解質構築的碳基超級電容器的電化學效能
圖3. 雜原子基團的化學轉變機理
圖4. 質子輔助的鋅離子混合超級電容器能量儲存
小結
本項研究提出了一種高效簡單的自組裝策略設計奈米顆粒嵌入的層狀碳超結構。碳超結構結構演化研究表明−NH2+Cl−−基團和氫鍵作用對聚合物中間體自組裝形成剛性框架和碳超結構過程的影響。所組裝的碳基超級電容器具有優異的電化學效能，包括有突出高倍率效能（100 A g−1時比電容為269F g−1）和長壽命迴圈能力（在100 A g−1下進行一百萬次迴圈後，電容保持率為93.1%）。值得注意的是，基於碳超結構所構築的水系鋅離子混合超級電容器可提供128 Wh kg−1的超高能量密度，在40 A g−1下經過200,000次迴圈後容量保持率為91.8%。綜合表徵和動力學分析表明，功能化碳超結構可以有效降低結構−化學缺陷處的離子結合能壘，促進電極表面的質子耦合電荷儲存動力學。所設計的碳超結構全面提高了器件的電化學效能，在高效儲能領域展示出良好的應用前景。這項工作為透過結構工程和表面化學的設計來改善電荷儲存效能提供了新的見解。
文獻：
https://doi.org/10.1002/adma.202104148
