多孔碳，剑桥大学Science!

1.【科学背景】

电化学双层电容器（EDLCs）是一类超级电容储能设备，与电池相比具有优越的功率性能和更长的循环寿命。目前最常研究和最便宜的EDLCs一般使用活化的碳电极，其由无序的类石墨烯薄片组成，构成了孔隙大小分布的多孔网络。相比于电池，EDLCs的能量密度还有待提高，许多研究集中在调整碳孔径来改变纳米多孔碳电极的结构上。早期研究认为，碳孔径的减小有利于提高电容。然而，随着研究认识的不断加深，人们发现多孔碳孔径与电容之间缺乏相关性。纳米多孔碳电极的复杂结构，对设计改进EDLCs提出了挑战。多孔碳电极设计原则的不明确性，也提示我们有额外的未知结构变量在影响着电容性质。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，英国剑桥大学Alexander C. Forse教授（通讯作者）等人通过核磁共振（NMR）光谱及相关模拟揭示了电极结构无序度和电容之间的强相关性。研究发现，具有更高无序度的多孔碳可以更有效的储存离子，从而实现更高电容。相关研究成果以“Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons”为题发表在近期Science期刊上。

图1.不同碳材料的孔隙率与电容之间的关系。© 2024 AAAS

首先研究了不同碳材料的孔径分布/比表面积与电容值之间的关系。选用的5种商用纳米多孔碳材料尽管具有相似的孔径分布，但在1 M NEt₄BF₄(ACN)电解质中电容值却有显著差异。而当选择不同孔径分布的商用活化碳布材料（ACC-10, ACC-15, ACC-20）时，3种材料却显示出相似的电容值。通过对更多多孔碳材料孔径大小和比表面积与电容值的关系进行研究比较发现，虽然孔径大小和比表面积会对电容产生影响，但还存在额外的未知结构变量。

图2.局部结构无序性的表征及其与电容之间的关系。© 2024 AAAS

通过NMR光谱分析多孔碳材料局部结构无序性与电容之间的关系发现，二者之间存在强的相关性：具有较小局部结构无序性的多孔碳材料具有更高的电容。同时，对热退火处理后的碳材料也进行了表征，发现增加结构有序性会导致电容的降低，这进一步证实了局部结构无序性对电容的影响。通过NMR模拟也揭示了多孔碳中芳香族碳有序畴尺寸与电容之间的关系。

图3.两种不同结构无序碳的电荷补偿机制。© 2024 AAAS

在上述研究基础上，对局部结构无序性对电荷存储机制的影响也进行了研究。通过不同结构无序性多孔碳在不同电压下离子吸附对比发现，具有较小局部结构无序性的多孔碳材料在一定电压下能够更有效存储离子，从而实现更高的电容。

3.【科学启迪】

本研究针对EDLCs多孔碳电极孔径尺寸与电容关系这个悬而未决的难题，通过对大量商用多孔碳的结构特点与电容关系进行表征模拟，发现了局部结构无序性这一被长期忽略、影响电容性质的结构变量。研究发现：一、多孔碳的孔径尺寸与电容之间不存在明显的相关性；二、局部结构无序性与电容之间具有强的相关性；三、更多的无序碳意味着具有更小的类石墨烯结构，可以实现纳米孔中更有效的离子储存和更高的电容。这些发现为EDLCs多孔碳电极的设计与优化提供了更为明确的设计原则。

原文详情：Liu, et al. Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons, Science (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6242。