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，并在電子消費市場中占有重要地位。然而，相比于電池，碳基超級電容器在工作原理上主要依賴于表面電荷存儲機制，由此帶來的低能量密度（當前成熟的商品化超級電容器的能量密度僅為~10 Wh/kg）是制約其進一步拓寬市場份額的主要瓶頸。為進一步提升碳基超級電容器的能量密度，當前公認的有效策略包括：
1.增加碳基材料的比表面積和設(shè)計多級次孔道結(jié)構(gòu)，以提高電極材料的整體電荷存儲容量；
2.引入雜原子以增加電極材料表面的贗電容貢獻。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)大學肖志昌教授課題組報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)碳基超級電容器中人們所片面追求的高比表面積，該團隊發(fā)現(xiàn)設(shè)計高電化學表面積（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)大學研究生羅新英為本文第一作者，國家納米科學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基金和河北農(nóng)業(yè)大學人才啟動經(jīng)費的支持。
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并進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熱解的協(xié)同策略，成功實現(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分析測試表明，Px-ppyNT的電化學性能與其ECSA變化趨勢相一致，呈現(xiàn)出明顯的火山圖走勢；而與其比表面積（SA）的變化趨勢顯著不同。由此進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）兩個性能參數(shù)為性能指標，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25.3 Wh/kg的能量密度。
本文通過模板表面的定向聚合反應策略，并結(jié)合化學活化與高溫熱交聯(lián)工藝，巧妙地設(shè)計了適于研究碳基超級電容器構(gòu)效關(guān)系的材料模型體系，并為設(shè)計高能量密度的碳基超級電容器提供了新的視角。
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https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06238c
