山西煤化所陳成猛團隊ACS AMI：瀝青調節活性炭孔隙結構用于高性能鈉離子存儲

【文章信息】

第一作者：田彥茹

通訊作者：陳景鵬*，陳成猛*

單位：中國科學院山西煤炭化學研究所

【研究背景】

炭負極的孔隙結構對提高鈉的儲存能力起著至關重要的作用。以往大量的研究關注在炭陽極中設計更多的密閉孔隙以提高材料性能。然而，以往增加封閉孔隙體積的策略很容易達到容量提升的極限，而對多孔結構的直接調控可能導致相對較低的初始庫侖效率（ICE）。在本研究中，我們利用液相浸漬法結合預碳化法來調節活性炭（AC）材料的孔隙結構的策略。結合形貌、孔隙結構的表征和電化學測試結果，得到了孔隙結構與電化學性質的相關性。我們發現，低比表面積和高直徑小于1 nm的孔隙是提高鈉離子儲存性能的主要因素。此外，瀝青在材料表面形成了獨特的界面，有序的炭層為電子轉移提供了一個快速的途徑，提高了材料的速率性能。因此，本文提出了一種有效的調節孔隙結構的策略，并為設計高性能炭負極提供了思路。

【文章簡介】

近日，來自中國科學院山西煤炭化學研究所的陳成猛研究員，在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上發表題為“Regulating Pore Structure of Activated Carbon by Pitch for High-Performance Sodium Ion Storage”的文章。本文提出了一種簡單有效的孔隙調節策略，即利用有序的瀝青衍生炭對商業活性炭（AC）材料進行修飾，并對所獲得的復合材料的孔隙結構演化和內孔隙表面的研究。瀝青的引入不僅產生了大量的有效儲鈉微孔，而且通過附著在內孔表面為電子提供快速的轉移途徑，有利于復合材料中鈉離子的存儲和倍率性能。

圖1.?瀝青調控商業活性炭孔隙結構以提升儲鈉性能

【本文要點】

要點一：采用液相浸漬法將瀝青引入活性炭中，誘導形成直徑小于1 nm的微孔以存儲鈉離子。

溶解在THF中的瀝青擴散到活性炭的孔隙中，并吸附在微孔的內表面。在電鏡下觀察到瀝青衍生炭并沒有出現在活性炭表面，也沒有形成均勻連續的包覆層。結合孔結構表征結果，瀝青優先進入炭骨架內部修改孔隙。瀝青的加入降低了材料的比表面積，同時增加了孔徑<1 nm的有效儲鈉微孔。即便最終的復合材料比表面積并不低，但有效鈉存儲孔隙仍然提升了材料的鈉離子儲存能力，并減少了不可逆的容量損失。

圖2.?瀝青浸漬多孔炭復合材料的孔結構

要點二：由瀝青產生的更有序的碳層可以提高電導率，附著在孔內表面的有序炭層為電子轉移提供快速通道

瀝青作為軟炭前驅體，經過高溫炭化后石墨化度較高。利用瀝青衍生碳對商業活性炭（AC）進行孔隙調控的同時，有序的碳層會附著在材料的表面和孔隙的內表面。當電解液直接接觸材料表面時，瀝青衍生炭缺陷濃度低，有利于減少副反應的發生。而且瀝青衍生炭具有高電導性，位于電解液和多孔炭界面間的有序炭層為電子提供了一個快速的轉移通道。

要點三：復合材料展示出優異的電化學性能

直接炭化的活性炭（AC-1300）在30 mA g^?1的電流密度下，可逆容量僅有76.7mAh g^?1，首效僅有13.3%。相比之下，在該策略下制備的最佳復合材料（XA-4T-1300）具有383.0 mAh g^?1，ICE為91.1%。在1A g^?1條件下，XA-4T-1300經過300次循環后的容量保留率高達95.5%。該研究為高性能鈉離子負極材料的設計提供了新思路。

圖3.?瀝青浸漬多孔炭復合材料的儲鈉性能及其與其他材料對比結果

【文章鏈接】

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c00301