电化学双电层电容器（EDLCs）是一类超级电容器储能设备，具有出色的功率性能和比电池更长的循环寿命。这些设备的活性碳电极通常由无序的石墨烯样片层构成，形成具有不同孔径分布的多孔网络。为了提高这些设备的能量密度，许多研究关注于改变纳米多孔碳电极的结构，以调整碳孔径。然而，过去的研究结果并不一致，一些研究发现电容随着孔径减小而增加，而其他研究则发现电容与孔径之间缺乏相关性。
为了解决这一问题，科学家们开始关注电极的局部结构无序性，并探索其与电容之间的关系。过去十年中，固态核磁共振（NMR）光谱已经成为研究纳米多孔碳结构的一种重要手段。NMR光谱测量碳材料中吸附电解质的环境，可以揭示电极的局部化学结构和电荷存储机制。科学家们发现，碳材料的结构无序性与其电容之间存在强相关性。特别是，更无序的碳材料通常具有更高的电容，这归因于其更有效的离子存储能力。
针对这一挑战，英国剑桥大学Alexander C. Forse教授团队在Science期刊上发表了题为“Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons”的论文。本研究通过结合核磁共振光谱测量和模拟，深入探究了纳米多孔碳电极的结构无序性与电容之间的关系。研究发现，更无序的碳材料通常具有更小的石墨烯样片域，并且在其纳米孔中更有效地存储离子，从而实现了更高的电容。这一发现为理解和利用无序结构来实现高能量密度的超级电容器提供了新的途径。
1
研究内容
1
1
1
图1. 研究中的碳材料孔隙率与电容的关系
图1展示了所研究碳材料的孔径分布、比表面积与电容之间的关系。在图1A中，展示了五种商业纳米多孔碳材料的孔径分布，通过氮气等温线的固态密度泛函理论分析得出。结果显示，这五种材料具有相似的孔径分布。图1B显示了这五种材料在1 M NEt4BF4（乙腈）电解质中的重量比电容，发现尽管孔径分布相似，但它们的电容值存在显著差异。图中还包含了三种活性碳布的孔径分布和电容的数据（图1C和图1D），结果显示这些材料的电容值相对稳定，孔径大小对电容的影响较小。在图1E和图1F中，展示了电容与平均孔径以及比表面积之间的关系，发现电容值与孔径大小或表面积之间没有明显的相关性。综合图1中的结果，研究者发现除了孔径大小和比表面积外，可能还有其他结构特征影响了电容，这有助于深入理解纳米多孔碳材料的电容性能，为超级电容器的设计和优化提供了新的思路和方法。
图2. 局部结构无序性的表征及其与电容的相关性
图2展示了利用魔角旋转（MAS）核磁共振（NMR）光谱分析碳材料的局部结构无序度，并探究其与电容之间的关系。从图中可以看出，碳材料的Δδ值与其电容呈现出相关性，具有较小Δδ值的材料显示出较高的电容。通过热退火实验，研究者进一步证实了有序度与电容之间的负相关关系。此外，NMR模拟方法也支持了这一发现，认为具有较小有序域的碳材料通常具有较高的电容。这些结果表明，碳材料的局部结构无序度对其电容具有重要影响，而不是单纯的孔径大小或比表面积。
图3. 两种具有不同局部结构无序性的碳材的电荷补偿机制
在图3中，研究者通过现场MAS NMR实验研究了具有不同局部结构无序度的碳材料在电荷存储机制方面的差异。结果显示，结构更无序的碳材料具有更高的电荷存储能力，这表明局部结构无序度可以促进电荷的更有效存储。进一步分析表明，较小域的碳材料可能具有更多的拓扑缺陷，这些缺陷可以增加碳材料与离子之间的相互作用，从而提高电荷存储效率。因此，图3的结果进一步支持了图2的发现，即碳材料的局部结构无序度与其电容和电荷存储机制密切相关。
在这项研究中，作者旨在解决有关纳米多孔碳电极结构如何影响其电容式能量存储的争论。通过对大量商业活性碳进行的电化学测量，作者发现电容与孔径大小之间，以及电容与比表面积之间没有明确的相关性。相比之下，通过核磁共振光谱实验和建模，作者揭示了电容与电极结构无序性之间存在着显著的相关性，这对于商业多孔碳以及它们经过热退火的对应物均成立。具有较小有序领域的碳材料具有更高的电容，作者将这归因于它们在碳纳米孔中对离子的更有效储存。总的来说，这项工作揭示了决定纳米多孔碳电容的一个先前被忽视的结构因素，并可能为电化学双层电容器的改进电极材料的设计和合成提供指导。
1
1
1
1
扫码可阅读原文
Xinyu Liu et al. ,Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons. Science 384, 321-325 (2024). DOI : 10.1126/science.adn6242
1
1
转载来源：低碳材料前沿
关于
Green Carbon
1
Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。
中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊 CAS数据库收录 2025年底前稿件处理费用（APC）由编辑部承担，作者无需支付任何费用 对已接收文章免费进行语言润色服务 黄金开放获取期刊，已出版论文可以免费全文下载 https://www.sciencedirect.com/journal/green-carbon
优秀文章提供免费精准推送服务
官方网站
https://www.keaipublishing.com/en/journals/green-carbon/
联系方式
greencarbon@qibebt.ac.cn
欢迎访问期刊主页
扫码进入文章投稿
编辑部联系方式
邱翔 博士
电话：（0532）58261072；15640526517
邮箱：qiuxiang@qibebt.ac.cn；
greencarbon@qibebt.ac.cn
路帅敏 博士
电话：（0532）58261072；13210205278
邮箱：lusm@qibebt.ac.cn；
greencarbon@qibebt.ac.cn
地址：山东省青岛市崂山区松岭路189号，266101
长按关注
欢迎您的投稿！
往期经典回顾
