由于能源短缺和環(huán)境惡化問題的日趨嚴(yán)峻，對于可再生清潔能源的開發(fā)與利用成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。超級電容器，作為新一代能源存儲(chǔ)器件，相比于鋰離子電池，具有充放電速度快（分秒級）、循環(huán)壽命長（104-105次）、功率密度高（10 kW/kg）以及工作溫度范圍寬（-50～+75℃）等優(yōu)勢而受到廣泛的關(guān)注和研究。多孔碳材料因其高的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低廉的價(jià)格以及環(huán)境友好型等特點(diǎn)而成為超級電容器電極材料最理想的選擇之一。通常具有高比表面積的多孔碳材料，孔的存在形式主要以微孔(孔徑<2 nm)為主導(dǎo)，由于孔徑尺寸的限制，在一定程度上其電極材料的倍率也相應(yīng)受到限制。為了提升材料的倍率性能，通常采用合適的前驅(qū)體以及模板法等引入一些介孔（孔徑2 nm–50 nm），而外模板法使制備過程復(fù)雜化同時(shí)也增加了材料的成本。
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組在納米多孔儲(chǔ)能材料研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，開發(fā)了一種新型的微孔/介孔分級多孔碳材料，用在超級電容器中展現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)能性能。團(tuán)隊(duì)研究創(chuàng)新地采用均勻分散在SiOC陶瓷基體中的SiOx納米疇為原位模板，通過NaOH在不同溫度下活化來調(diào)節(jié)和優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，最終獲得具有超高比表面積（3122 m2 g-1）的微孔/介孔碳,同時(shí)其介孔體積比也高達(dá)66%。相比于商用的活性炭YP50，該材料在水體系和有機(jī)體系下均展現(xiàn)優(yōu)異的倍率性能和電容性能，其特殊的孔結(jié)構(gòu)加速了傳質(zhì)傳遞過程，也提高了材料比表面積的利用率，最終在有機(jī)體系下獲得了高達(dá)42 Wh kg?1的能量密度。該工作為超級電容器材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究提供了全新的研究思路。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際頂級能源期刊Nano Energy (Nano Energy 33 (2017)453-461, 影響因子IF=11.553)，該工作由潘鋒教授和陳海標(biāo)特聘研究員共同指導(dǎo)，14級碩士生楊杰和13級碩士生吳灝林共同完成。該工作得到了國家材料基因組、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的共同支持。
圖1.微孔/介孔分級多孔碳材料的制備示意圖
圖2.（a）C800和商用YP50的能量密度與功率密度對比圖，（b）離子在微孔以及微孔/介孔中的傳輸示意比較圖
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Jie Yang1, Haolin Wu1, Min Zhu, Wenju Ren, Yuan Lin, Haibiao Chen*, Feng Pan*.Optimized mesopores enabling enhanced rate performance in novel ultrahigh surface area meso-/microporous carbon for supercapacitors, Nano Energy 33 (2017): 453-461.
http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.02.007
