多孔碳，劍橋大學Science!

1.【科學背景】

電化學雙層電容器（EDLCs）是一類超級電容儲能設備，與電池相比具有優越的功率性能和更長的循環壽命。目前最常研究和最便宜的EDLCs一般使用活化的碳電極，其由無序的類石墨烯薄片組成，構成了孔隙大小分布的多孔網絡。相比于電池，EDLCs的能量密度還有待提高，許多研究集中在調整碳孔徑來改變納米多孔碳電極的結構上。早期研究認為，碳孔徑的減小有利于提高電容。然而，隨著研究認識的不斷加深，人們發現多孔碳孔徑與電容之間缺乏相關性。納米多孔碳電極的復雜結構，對設計改進EDLCs提出了挑戰。多孔碳電極設計原則的不明確性，也提示我們有額外的未知結構變量在影響著電容性質。

2.【創新成果】

基于以上研究背景，英國劍橋大學Alexander C. Forse教授（通訊作者）等人通過核磁共振（NMR）光譜及相關模擬揭示了電極結構無序度和電容之間的強相關性。研究發現，具有更高無序度的多孔碳可以更有效的儲存離子，從而實現更高電容。相關研究成果以“Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons”為題發表在近期Science期刊上。

圖1. 不同碳材料的孔隙率與電容之間的關系。? 2024 AAAS

首先研究了不同碳材料的孔徑分布/比表面積與電容值之間的關系。選用的5種商用納米多孔碳材料盡管具有相似的孔徑分布，但在1 M NEt₄BF₄ (ACN)電解質中電容值卻有顯著差異。而當選擇不同孔徑分布的商用活化碳布材料（ACC-10, ACC-15, ACC-20）時，3種材料卻顯示出相似的電容值。通過對更多多孔碳材料孔徑大小和比表面積與電容值的關系進行研究比較發現，雖然孔徑大小和比表面積會對電容產生影響，但還存在額外的未知結構變量。

圖2. 局部結構無序性的表征及其與電容之間的關系。? 2024 AAAS

通過NMR光譜分析多孔碳材料局部結構無序性與電容之間的關系發現，二者之間存在強的相關性：具有較小局部結構無序性的多孔碳材料具有更高的電容。同時，對熱退火處理后的碳材料也進行了表征，發現增加結構有序性會導致電容的降低，這進一步證實了局部結構無序性對電容的影響。通過NMR模擬也揭示了多孔碳中芳香族碳有序疇尺寸與電容之間的關系。

?圖3. 兩種不同結構無序碳的電荷補償機制。? 2024 AAAS

在上述研究基礎上，對局部結構無序性對電荷存儲機制的影響也進行了研究。通過不同結構無序性多孔碳在不同電壓下離子吸附對比發現，具有較小局部結構無序性的多孔碳材料在一定電壓下能夠更有效存儲離子，從而實現更高的電容。

3.【科學啟迪】

本研究針對EDLCs多孔碳電極孔徑尺寸與電容關系這個懸而未決的難題，通過對大量商用多孔碳的結構特點與電容關系進行表征模擬，發現了局部結構無序性這一被長期忽略、影響電容性質的結構變量。研究發現：一、多孔碳的孔徑尺寸與電容之間不存在明顯的相關性；二、局部結構無序性與電容之間具有強的相關性；三、更多的無序碳意味著具有更小的類石墨烯結構，可以實現納米孔中更有效的離子儲存和更高的電容。這些發現為EDLCs多孔碳電極的設計與優化提供了更為明確的設計原則。

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