高效清潔能源長期以來都是人們孜孜不倦、奮力追求的理想能量使用形式，其中碳基超級(jí)電容器由于具有超高的功率密度而受到科研工作者的深切關(guān)注，并在電子消費(fèi)市場(chǎng)中占有重要地位。然而，相比于電池，碳基超級(jí)電容器在工作原理上主要依賴于表面電荷存儲(chǔ)機(jī)制，由此帶來的低能量密度（當(dāng)前成熟的商品化超級(jí)電容器的能量密度僅為~10 Wh/kg）是制約其進(jìn)一步拓寬市場(chǎng)份額的主要瓶頸。為進(jìn)一步提升碳基超級(jí)電容器的能量密度，當(dāng)前公認(rèn)的有效策略包括：
1.增加碳基材料的比表面積和設(shè)計(jì)多級(jí)次孔道結(jié)構(gòu)，以提高電極材料的整體電荷存儲(chǔ)容量；
2.引入雜原子以增加電極材料表面的贗電容貢獻(xiàn)。然而，如何更加高效地利用這些孔道結(jié)構(gòu)和雜原子，仍需系統(tǒng)地深入分析和考察。
近日，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)肖志昌教授課題組報(bào)道了一種聚吡咯納米管衍生的氮/磷共摻雜碳納米管（簡寫為Px-ppyNT）模型體系，分析并闡釋了其在提高碳基超級(jí)電容器中孔道結(jié)構(gòu)和雜原子利用效率的研究方法和思路。相比于傳統(tǒng)碳基超級(jí)電容器中人們所片面追求的高比表面積，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)高電化學(xué)表面積（ECSA）具有更重要的意義。由此得到的最優(yōu)化Px-ppyNT電極材料，得益于其高效的孔道結(jié)構(gòu)和雜原子利用率，在中性電解液體系中表現(xiàn)出高達(dá)25.3 Wh/kg的能量密度。相關(guān)工作發(fā)表在《J. Mater. Chem. A》上，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生羅新英為本文第一作者，國家納米科學(xué)中心楊琪博士為本文共同第一作者。本研究工作得到了河北省自然科學(xué)基金和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。
研究人員采用甲基橙（MO）-氯化鐵組裝體為模板，利用吡咯分子在其表面的定向聚合反應(yīng)并進(jìn)一步去除模板的方法，得到了具有空心管狀結(jié)構(gòu)的聚吡咯納米管。隨后利用磷酸活化與高溫?zé)峤獾膮f(xié)同策略，成功實(shí)現(xiàn)了氮/磷共摻雜碳納米管（Px-ppyNT）的制備。
通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析表明，Px-ppyNT隨著磷酸用量的不同，而展現(xiàn)出比表面積、孔結(jié)構(gòu)、雜原子形態(tài)的規(guī)律性演變。
三電極體系下的材料電化學(xué)分析測(cè)試表明，Px-ppyNT的電化學(xué)性能與其ECSA變化趨勢(shì)相一致，呈現(xiàn)出明顯的火山圖走勢(shì)；而與其比表面積（SA）的變化趨勢(shì)顯著不同。由此進(jìn)一步研究并揭示了電極材料的電容性能與ECSA的關(guān)聯(lián)度更密切。
受此啟發(fā)，作者提取了倍率性能保持率（指示孔結(jié)構(gòu)利用率）和贗電容密度（指示雜原子利用率）兩個(gè)性能參數(shù)為性能指標(biāo)，并與ECSA、比表面積分別做了構(gòu)效關(guān)系的研究。研究結(jié)果充分證明了ECSA的數(shù)值大小直接決定了孔道結(jié)構(gòu)和雜原子的利用效率。
在此基礎(chǔ)上，具有最大化孔結(jié)構(gòu)和雜原子利用效率的Px-ppyNT展示出高達(dá)25.3 Wh/kg的能量密度。
本文通過模板表面的定向聚合反應(yīng)策略，并結(jié)合化學(xué)活化與高溫?zé)峤宦?lián)工藝，巧妙地設(shè)計(jì)了適于研究碳基超級(jí)電容器構(gòu)效關(guān)系的材料模型體系，并為設(shè)計(jì)高能量密度的碳基超級(jí)電容器提供了新的視角。
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https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06238c
