温州大学王舜教授课题组Angew：枪“磷”“氮”雨，“碳”求真知！——杂原子掺杂碳的超级电容起源

超级电容器具有快充、安全、寿命长、功率高等优点，在便携式电子设备、混合式电动汽车、备用电源等领域展示具大的发展潜力。纳米结构碳材料如杂原子掺杂的石墨烯、多孔碳等被认为最有希望成为替代或补充二次电池的超级电容器电极材料之一。然而，杂原子掺杂碳储能材料的商业化应用特别是在便携式电子领域的应用，仍需至少解决二个关键性的挑战：（1）如何在保证高表面积的前提下，创建高密度碳材料以提升体积能量密度？（2）杂原子掺杂碳如何有效突破水的热力学分解电压（1.23 V），以满足水系超级电容器工业应用的高比能要求？

近日，温州大学王舜教授（点击查看介绍）课题组与美国北德克萨斯大学Zhenhai Xia教授（点击查看介绍）合作在该领域取得了新突破，他们以原位脱卤聚合法制备的N,P,O-三重掺杂多孔碳为水系超级电容器模型电极材料，通过实验与理论计算相结合，阐明了杂原子掺杂碳电极材料突破水分解电压窗口，实现致密储能的本质原因。他们的研究表明，杂原子掺杂碳的高比能超级电容除来自已知的杂原子赝电容之外，还有两个方面的关键起源（图1）：（1）杂原子的掺杂有效降低了碳材料的界面吸附能，且随着掺杂种类的增加，吸附能降低更为显著（图1d），这为溶液中大量的正离子更有效地吸附在活性位点上创造了条件，进而促进碳材料的本征电容有一定程度的提升（图1e,1f）；（2）充电过程预吸附的钾离子或钠离子等，能有效抑制碳电极表面的电化学析氢反应，特别是K⁺的预吸附更是具有更高的抑制氢气析出效应（图1g），从而有效突破水的热力学分解电压窗口，提高了比电容和比能量。上述结果，将为未来低成本、高比能、高功率、长超级电级电容器的设计、电容的提升及电压窗口的优化提供重要的理论指导和实验依据。

图1.  最优N，P，O-三掺杂碳的微观结构用于吸附a）氢离子、b）钠离子、c）钾离子,其中，绿色、蓝色、淡蓝色、红色和白色分别代表碳、氮、磷、氧和氢; d) 不同类型的杂原子掺杂对氢离子、钠离子、钾离子的最小化学吸附能的影响；e) 最小钾离子吸附能所对应的单一位点的特性电容（U=1.0 V, ΔG_k+^max=1.2 eV）；f) 最小钾离子吸附能所对应的能量密度（U=1.0 V）；g) 吸附钠、钾前后的N，P，O-三掺杂碳的析氢三态自由能图。

该论文发表于Angewandte Chemie International Edition，第一作者是温州大学硕士生崔翠霞，金辉乐研究员、夏振海教授、王舜教授为共同通讯作者。

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Origins of Boosted Charge Storage on Heteroatom-Doped Carbons

Cuixia Cui, Yong Gao, Jun Li, Chao Yang, Meng Liu, Huile Jin, Zhenhai Xia, Liming Dai, Yong Lei, Jichang Wang, Shun Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202000319

导师介绍

王舜

https://www.x-mol.com/university/faculty/13489

Zhenhai Xia

https://www.x-mol.com/university/faculty/156358