南林何水剑/悉尼大学裴增夏/扬州大学杨皓奇Angew：基于仿生中空多孔碳纳米纤维的水系锌离子电容器

随着大规模储能和高效电能输出需求的不断增长，电化学储能系统迅速发展。近年来，水系锌离子混合电容器（ZIHCs）因其出色的安全性、可持续性以及高功率密度等优势，在绿色能源存储领域展现了巨大潜力。然而，由于溶剂化锌离子（[Zn(H₂O)₆]²⁺）的较大尺寸（直径达0.86 nm），常见的碳基正极材料往往难以兼顾ZIHCs在能量密度与功率密度方面的双重需求。具体而言，传统的多孔碳材料的高比表面积通常源于其超细微孔结构，虽然理论上可以提供更高的容量，但水合离子进入这些微孔时必须经历较为缓慢的脱溶剂过程，这一过程会牺牲ZIHCs的本征高功率特性。此外，孔径过大则会导致电化学双电层（EDL）扩散层厚度的增加，进而阻碍离子在电极表面的有效传输，同时加强离子之间的库仑相互作用，引发过度的屏蔽效应，最终导致EDL损失并削弱容量的释放能力。

图1. 不同碳孔中典型的水合锌离子与硫酸根离子的吸附行为

要打破上述困境，必须在碳基材料上构建大量尺寸与[Zn(H₂O)₆]²⁺匹配、且窄而短小的纳米孔结构。这些孔结构可以避免溶剂化过程的影响，并增强离子与碳壁储能位点间的相互作用，从而最大化ZIHCs的能量密度和功率密度。

为此，南京林业大学何水剑团队联合悉尼大学裴增夏团队和扬州大学杨皓奇团队合作，针对上述问题报道了一种碳材料的仿生设计方案，在类毛细血管结构的中空碳纳米纤维表面构建了与[Zn(H₂O)₆]²⁺尺寸高度兼容的纳米孔，实现了兼具高比能、高功率的ZIHCs。

图2. 中空碳纳米纤维的合成策略及形貌表征

正如微血管结构能高效、畅通无阻的进行养分传质那样，中空碳纳米纤维作为电极材料能帮助提高离子的转移速率，并让电解液充分接触到每一个储存位点。在这项工作中，将配位化学与静电纺丝技术结合，仅需配位-热解过程即能实现中空碳纳米纤维的无模板合成。利用醋酸纤维素的低热稳定性质，在热解过程中，与Zn²⁺的外层配位单元转变为连续的碳质层，而未配位的醋酸纤维素内层则熔融分解，从而形成薄壁中空结构。同时，Zn²⁺在配位作用下被原位锚定，热解过程中形成均匀的ZnO团簇，充当硬模板和活化剂，促使碳壁表面形成与[Zn(H₂O)₆]²⁺尺寸相匹配的纳米孔，从而显著提高离子的储存密度。

图3. Zn²⁺配位前后材料的理化性质研究

热分析技术表明，与Zn²⁺配位后，纤维间的熔融和交联现象得到显著缓解，因此能保证中空碳纳米纤维的长程连续性和柔性自支撑结构；孔隙表征以及XPS光谱等测试表明Zn²⁺配位作用能同时优化材料的孔结构和表面官能团等特性。

图4. 锌离子电容器的电化学性能

系列原位/非原位实验与理论证据实验证明，优化的仿生中空多孔碳纳米纤维避免了缓慢的脱溶剂化过程与离子之间的库仑相互作用引发的屏蔽效应，增强离子与碳壁储能位点间的相互作用。因此，所组装的CNF-Zn-800//Zn具有156 mAh g^-1的比容量，在135 W kg^-1的功率密度下能释放132.8 Wh kg^-1的电池级比能量（基于正极材料），以及优异的稳定性（80000次循环后容量保持率为98.7%）与实用化的高面容量（3.8 mAh cm^-2）。

以上成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。论文的第一作者为南京林业大学硕士研究生杨广杰。

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Bionic Hollow Porous Carbon Nanofibers for Energy-Dense and Rapid Zinc Ion Storage

Guangjie Yang, Qian Zhang, Chenweijia He, Zhe Gong, Zhenlu Liu, Jian Song, Shaohua Jiang, Jingquan Han, Haoqi Yang*, Xue Li, Zengxia Pei*, Shuijian He*

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202421230

通讯作者简介

何水剑，江苏特聘教授，博导，江苏省第十七批科技镇长团南京市新材料产业团成员。围绕碳纳米复合材料微观结构精细化调控及电化学储能、电催化性能提升中的关键科学问题，开展新型碳纳米功能材料微观结构调控及电化学能量存储与转化机理研究。至今已在Energy & Environmental Science、Coordination Chemistry Reviews、Angewandte Chemie International Edition、Nano-Micro Letters 等国际期刊发表SCI论文150余篇，文章他引>8100次， h-index 55。入选斯坦福大学联合Elsevier发布的2024年全球前2%顶尖科学家“年度科学影响力”榜单。担任Advanced Materials Science and Technology 编辑，Battery Energy青年编委、Chemical Synthesis客座编辑，《电化学》、《化学试剂》青年编委。课题组主持国家、省、校、企业合作等各类项目6项。

课题组学术主页：

https://www.x-mol.com/groups/He_Shuijian 

裴增夏，悉尼大学化学与生物分子工程系讲师，主要研究方向为水系能源存储与转化，功能型凝胶电解质及电催化等。迄今为止在包括Nat. Commun., Matter, Joule, Chem, Energy Environ. Sci., Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano 等学科主流杂志上发表论文80余篇，其中先后有逾30篇入选ESI高被引文章/热点论文，引用16600余次，H因子61。曾获得澳大利亚优秀青年基金资助，荣获澳大利亚研究新星奖（2019-2021），RSC学术新秀奖，悉尼大学优秀早期研究员奖等，2020-2024连续获得科睿唯安高被引学者称号。

课题组长期招收博士研究生，主要研究方向为（水系）锌电池与功能性凝胶电解质，提供奖学金（约41,000澳币/年，免税），欢迎具有相关背景的同学申请。感兴趣的同学请联系：zengxia.pei@sydney.edu.au