中国海洋大学《Small》：具有类石墨烯壳结构和超高表面积的多通道中空碳纳米纤维，用于高性能锌离子混合电容器

成果简介

多孔碳是锌离子混合电容器（ZIHCs）最有前景的正极材料，但受到电荷存储过程中活性吸附位点不足和离子扩散动力学缓慢的限制。本文，中国海洋大学吴敬一教授、王焕磊教授等在《Small》期刊发表名为“Multi-Channel Hollow Carbon Nanofibers with Graphene-Like Shell-Structure and Ultrahigh Surface Area for High-Performance Zn-Ion Hybrid Capacitors”的论文，研究提出了一种合成多通道中空碳纳米纤维（MCHCNF）的孔构造-孔扩展策略，其中牺牲模板诱导的多通道结构消除了扩散势垒，增强了离子扩散动力学，产生的超高比表面积和高密度缺陷结构有效地增加了电荷存储活性位点的数量。

此外，在碳纳米纤维表面形成的类似石墨烯的壳结构有利于快速电子传输，并且MCHCNF与电解质离子的高度匹配的孔径有利于电荷载流子的容纳。这些优势使优化的 ZIHC 表现出高容量 （191.4 mAh g-1）、高能量（133.1 Wh kg-1），以及出色的循环稳定性（15000 次循环后容量保持率为 93.0%）。系统的异位表征表明，阴阳离子的双重吸附协同作用确保了MCHCNF优异的电化学性能，凸显了MCHCNF高度发达的多孔结构的重要性。本工作不仅为提高多孔材料的电容能力提供了一种有前景的策略，而且为先进储能器件的电荷存储机制和合理设计提供了思路。

图文导读

方案一、MCHCNF和MCHCNF-x的制备过程示意图。

图1、MCHCNF和MCHCNF-2的电子显微镜表征

图2、a） N2吸附-解吸等温线，b）相应的孔径分布，c）MCHCNF和MCHCNF-x不同尺寸范围内的孔体积比。d） XRD图谱，e）MCHCNF和MCHCNF-x的拉曼光谱。f） MCHCNF和MCHCNF-2的接触角测试。MCHCNF和MCHCNF-1的高分辨率g）C 1s，h）O 1s和i）N 2s XPS光谱。

图3、MCHCNF和MCHCNF-x基锌离子混合电容器的电化学性能.

图4、非原位XPS和XRD分析

图5、a-c） MCHCNF-2在不同电压点的异位SEM图像。d） MCHCNF-2阴极在锌中的电荷存储机理示意图电解质

图6、Zn2+/ CF3SO3- 在不同石墨结构上的吸附理论模拟。

小结

综上所述，我们展示了一种新颖的“孔隙构造-孔隙扩展”策略，以有效增强MCHCNF-x的容量能力。该策略产生超高的表面积，提供高度可接近的活性位点，同时构建促进快速电子传输的类似石墨烯的壳。此外，MCHCNF-x中的高密度缺陷工程大大增加了活性位点的数量，而合适的孔径匹配消除了扩散屏障。本工作不仅为提高多孔碳材料的电荷存储容量提供了有前景的策略，而且为利用“缺陷工程”和“孔隙离子匹配”进行先进储能系统的合理设计提供了有希望的见解。

文献：https://doi.org/10.1002/smtd.202300714