研究背景

由于成本低、儲(chǔ)量豐富、離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)快等優(yōu)勢(shì)，水系鋅離子雜化電容器（ZHSCs），受到研究者廣泛關(guān)注。然而，碳陰極容量低，導(dǎo)致ZHSCs的能量密度相對(duì)較低（< 100 Wh kg-1），使得它們與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比沒有競(jìng)爭(zhēng)力。碳材料主要基于雙電層電容存儲(chǔ)機(jī)制來吸附離子，根據(jù)公式Cdl=eS/d（其中，e是電解液介電常數(shù)；S是電極/電解質(zhì)接觸面積，與比表面積有關(guān)；d是雙電層厚度）可知，可以通過增加碳材料的比表面積來提高電極與電解質(zhì)的接觸面積S，從而提高碳材料的雙電層電容。受現(xiàn)有技術(shù)限制，碳材料的比表面積無法無限增大，增加的比表面積也無法保證全部用于離子存儲(chǔ)。有鑒于此，中山大學(xué)盧錫洪等團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通用的策略減小EDLs厚度d來提升EDLs電容，即利用-NH2官能團(tuán)增加碳材料表面電荷密度，同時(shí)-NH2上的孤電子對(duì)可以與Zn2+發(fā)生強(qiáng)相互作用，從而有效壓縮了EDLs厚度，顯著提升了鋅離子的存儲(chǔ)容量。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Angewandte Chemie International Edition上。

圖文導(dǎo)讀

碳材料的制備與微觀結(jié)構(gòu)

首先，以納米ZnO為模板、KOH為化學(xué)活化劑，通過高溫煅燒將煤焦油瀝青轉(zhuǎn)化為多孔碳（PC）。之后，在乙二胺溶液中，利用多肽縮合試劑將-NH2官能團(tuán)嫁接到碳材料表面，得到-NH2基團(tuán)修飾的多孔碳（APC）。相關(guān)測(cè)試表明，APC表面含有多種含氮物種，缺陷程度更高。

碳材料的電化學(xué)性能

電化學(xué)測(cè)試表明，APC具有超高的鋅離子存儲(chǔ)容量（255.2 mAh g-1），且展現(xiàn)了優(yōu)異的容量保持率（50000次循環(huán)后，容量保持率為95.5%）和倍率性能，而多孔碳PC容量只有71.1 mAh g-1且?guī)靷愋实停?7.6%）。

鋅離子存儲(chǔ)性能提升的內(nèi)在機(jī)制

電化學(xué)測(cè)試和理論計(jì)算表明，鋅離子存儲(chǔ)容量的提升源于-NH2官能團(tuán)上的孤電子對(duì)可以增加碳材料表面電荷密度，同時(shí)與Zn2+發(fā)生強(qiáng)相互作用，從而有效壓縮了EDLs厚度。

審核編輯：郭婷