碳-伪电容混合材料的尺寸工程研究：面向先进超级电容器的最新进展与未来展望

《Sustainable Chemistry for Energy Materials》：Dimensional Engineering of Carbon-Pseudocapacitive Hybrids toward Advanced Supercapacitors: Recent Advances and Future Perspectives

碳基复合材料与伪电容体结合的设计策略及其在超级电容器中的应用进展。通过0D-3D碳框架的维度工程优化电荷存储机制，提升能量密度、功率密度和循环稳定性。研究重点包括结构调控、界面工程、多维度协同设计，并探讨了未来在可扩展合成、多功能集成及柔性器件中的应用方向。

　　近年来，随着便携式电子设备、电动汽车和大规模储能系统的快速发展，对高性能能量存储器件的需求日益增加。电化学电容器，尤其是超级电容器（SCs），因其出色的功率密度、超快的充放电能力和优异的循环寿命而受到广泛关注。然而，传统电容器和可充电电池之间存在显著的性能差异，特别是在能量密度和功率密度之间的权衡。为了解决这一问题，研究者们将注意力转向了碳基复合材料与赝电容材料的结合，探索如何在单一电极系统中实现两者的协同效应，从而突破这一瓶颈。

超级电容器的电化学储能机制主要分为两种类型：双电层电容（EDLC）和赝电容。EDLC通过电极与电解液界面的非法拉第静电吸附作用实现电荷存储，主要依赖于碳材料的高比表面积和良好的导电性。然而，由于EDLC仅涉及物理吸附过程，其能量密度通常较低。相比之下，赝电容依赖于电极表面或近表面的快速可逆法拉第氧化还原反应，通过引入过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、MXenes等赝电容材料，能够显著提升电容值和能量密度。但赝电容材料在反复充放电过程中往往面临结构不稳定、电荷转移效率低等问题。

为了克服上述限制，研究者们提出了碳-赝电容复合材料的设计策略。碳材料如碳纳米管（CNTs）、碳纳米纤维（CNFs）、石墨烯和三维多孔碳框架等，因其高导电性、结构稳定性以及可调控的孔结构，成为赝电容材料的理想载体。通过合理设计碳材料的维度，可以优化电子和离子的传输路径，提升材料的利用率，同时增强电极的机械稳定性。例如，零维（0D）碳量子点（CQDs）因其小尺寸、可调表面化学和高导电性，能够有效构建连续的导电网络，提升赝电容材料的电化学活性；一维（1D）碳纳米管和碳纳米纤维则因其长径比和良好的机械性能，为赝电容材料提供了稳定的支撑结构；二维（2D）石墨烯因其大面积和优异的平面导电性，有助于均匀锚定赝电容材料并提高电荷传输效率；三维（3D）多孔碳结构则因其开放的宏观、介孔和微孔网络，促进了电解液的渗透和离子电子的快速传输，同时保持了结构的稳定性。

在实际应用中，这些碳-赝电容复合材料展现出显著的优势。例如，0D碳纳米材料如CQDs、GQDs和碳中空球（CHSs）通过引入额外的赝电容活性位点和改善电极-电解液界面的接触，显著提升了电容器的容量和循环寿命。1D碳纳米材料如CNTs和CNFs则通过构建连续的导电网络和增强机械强度，为高性能电容器提供了稳定的结构支撑。2D碳材料如石墨烯和MXenes则因其丰富的表面化学和高导电性，成为赝电容材料的理想载体，通过结构调控和界面工程，进一步提升了其电化学性能。3D碳材料如石墨烯气凝胶（GAs）和分级多孔碳则因其多维结构和良好的离子传输性能，成为实现高能量密度和高功率密度的关键材料。

这些材料在实际应用中表现出卓越的性能，如在高电流密度下仍能保持较高的电容值，以及在长期循环中具有良好的稳定性。例如，通过将CQDs与MXene纳米片结合，形成CQDs@Ti?C?T?复合材料，不仅提升了导电性，还有效防止了MXene的堆叠，从而提高了赝电容材料的利用率。同样，通过将GQDs与NiCo?O?结合，形成NiCo?O?/GQD复合材料，也显著提升了电极的电容值和循环稳定性。此外，通过将CHSs与NiCo?O?结合，形成NiCo?O?@CHS复合材料，不仅改善了材料的导电性，还缓冲了材料在循环过程中的体积变化，从而提高了电极的机械稳定性和电化学性能。

在1D碳纳米材料的应用中，CNTs和CNFs因其长径比和良好的导电性，成为构建高性能赝电容电极的重要材料。例如，通过在聚丙烯腈（PAN）衍生的CNFs上原位生长竹节状氮掺杂CNTs（BN-CNTs），形成BN-CNTF复合材料，不仅提升了材料的比表面积和导电性，还改善了电解液的润湿性，从而提高了电容器的性能。同样，通过将V?O?纳米颗粒嵌入CNTs中，形成V?O?/CNT复合材料，实现了高容量和良好的循环稳定性。此外，通过将NiO纳米结构与氮掺杂碳层结合，形成NiO@NC异质纳米管，也显著提升了电容器的性能。

在2D碳纳米材料的应用中，石墨烯因其高比表面积和优异的导电性，成为赝电容材料的理想载体。通过将石墨烯与导电聚合物如聚苯胺（PANI）结合，形成rGO/PEDOT复合材料，不仅提升了电极的电容值，还改善了其循环稳定性。此外，通过将石墨烯与过渡金属氧化物如Ru/RuO?结合，形成Ru/RuO?-N，S掺杂石墨烯复合材料，显著提升了电容器的性能。通过将石墨烯与MXene结合，形成MXene/石墨烯复合材料，也展现了优异的机械稳定性和电化学性能。

在3D碳纳米材料的应用中，石墨烯气凝胶（GAs）因其多孔结构和良好的导电性，成为构建高性能赝电容电极的重要材料。通过将导电聚合物如聚苯胺（PANI）与GAs结合，形成ATgGN复合材料，不仅提升了电极的电容值，还改善了其循环稳定性。此外，通过将过渡金属氧化物如MnO?与3D多孔碳结合，形成HPCS@MnO?复合材料，也显著提升了电容器的性能。

尽管这些碳-赝电容复合材料在电化学性能方面取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。例如，如何实现大规模、低成本的合成方法，以满足商业化需求；如何提高赝电容材料的长期电化学稳定性，避免结构退化和活性物质的损失；如何开发兼容性更好的电解质，以扩大电容器的工作电压范围和提升安全性；以及如何通过先进的表征技术和理论模拟，深入理解这些材料的储能机制和退化过程，从而实现更精确的材料设计。

未来的研究方向将聚焦于多维度碳材料的协同设计，结合先进的制造技术和精确的界面工程，推动超级电容器的进一步发展。例如，通过3D打印和卷对卷加工等技术，实现复杂碳-赝电容结构的大规模生产；通过机器学习和高通量计算筛选，加速寻找最优的碳-赝电容组合；同时，开发新型稳定电解质，以提升超级电容器的能量密度和工作电压。此外，超级电容器与其它能量存储技术的集成，如与锂离子电池或锌离子电池结合，以及与能量采集装置如光伏电池耦合，将为构建可持续的能源解决方案提供新的机遇。

总之，碳-赝电容复合材料通过合理设计其维度，实现了对电荷存储机制的优化，提升了电容器的性能。随着研究的深入和技术的进步，这些材料有望在未来能源存储系统中发挥重要作用，从便携式和可穿戴电子设备到电动汽车和大规模电网储能系统。