硫掺杂介孔碳材料的可控制备及其在超级电容器与钠离子电池中的双功能应用

为解决能源存储领域中介孔碳材料比表面积不足和孔结构调控困难的问题，青海民族大学化学与材料科学学院的研究团队通过水热合成策略成功制备了硫掺杂介孔碳（SMC）。该材料具有650.22 m2 g-1的高比表面积和分级孔隙结构，作为超级电容器电极时展现出188.9 F g-1的优异比电容，组装对称器件能量密度达5.12 Wh kg-1；作为钠离子电池阳极时表现出增强的Na+扩散动力学和循环稳定性。该研究为多功能碳材料设计提供了新思路。

　　

随着全球能源转型加速，高性能储能器件面临两大核心挑战：传统锂离子电池受限于锂资源稀缺和安全性问题，而超级电容器（SCs）虽功率密度优异却因能量密度不足难以独立供电。在这一背景下，钠离子电池（SIBs）因其钠资源丰富和与锂相似的电化学特性成为研究热点，但其电极材料仍存在离子传输效率低和容量衰减快等问题。与此同时，介孔碳材料虽具有可调控的孔结构和良好的稳定性，但本征比表面积和表面化学性质的限制导致其电化学性能难以突破。

针对上述问题，青海民族大学化学与材料科学学院、青海省纳米材料与纳米技术重点实验室的研究团队在《Carbon Trends》发表了一项创新研究。他们采用酚醛树脂为碳前驱体，以兼具硫源和孔调节剂双重功能的硫酸钠为掺杂剂，在Pluronic F127三嵌段共聚物模板导向下，通过一步水热法构建了硫掺杂介孔碳（SMC）。该材料通过硫原子的精准引入，同步实现了孔结构优化（比表面积提升至650.22 m² g^-1）和表面化学修饰，最终获得兼具高能量密度和优异循环稳定性的双功能电极材料。

研究团队运用了多项关键技术：通过水热合成结合高温碳化实现硫掺杂介孔碳的可控制备；采用氮气吸附-脱附测试（BET）和透射电子显微镜（TEM）表征材料的多级孔结构；利用X射线光电子能谱（XPS）解析表面化学状态；通过三电极体系和对称器件测试评估电化学性能；结合循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）分析电荷存储机制。

4.1 材料特性

SEM和TEM显示，适量硫掺杂（SMC-0.1）形成了尺寸均一的纳米球结构，而过量掺杂会导致结构坍塌。XRD证实硫掺杂引起碳层间距扩大（002晶面衍射峰左移），Raman光谱显示缺陷程度提升（I_D/I_G从1.07增至1.08）。XPS分析揭示了C-S（285.4 eV）和C-SO_x-C（168.3 eV）键的存在，这些活性位点显著提升了材料润湿性和伪电容贡献。

4.2 超级电容器性能

在三电极体系中，SMC-0.1在0.5 A g^-1电流密度下比电容达188.9 F g^-1，较未掺杂样品（MC）提升43.5%。组装的对称超级电容器（SMC-0.1//SMC-0.1）在6 M KOH电解液中实现5.12 Wh kg^-1的能量密度，经5000次循环后容量保持率达101.7%，归因于循环中C-S键氧化生成更多C-SO_x活性位点。

4.3 钠离子电池性能

作为SIB阳极，SMC-0.1在0.1C倍率下提供113.7 mAh g^-1的可逆容量，优于MC（98.1 mAh g^-1）。即使在2C高倍率下循环2000次仍保持44.3 mAh g^-1容量。动力学分析表明其电荷存储78.4%来自表面主导的电容行为，硫掺杂扩大的层间距（0.41 nm）和sp³杂化缺陷共同促进了Na⁺快速传输。

该研究通过"一锅法"水热策略实现了硫掺杂介孔碳的结构-性能协同调控，其创新性体现在三方面：一是利用硫酸钠的双重功能简化了制备流程；二是通过硫掺杂同时优化了孔结构和表面化学性质；三是首次验证了该材料在SCs和SIBs中的双功能适用性。相比需要多步合成的氮/硫共掺杂碳（如文献报道的386 F g^-1材料），SMC-0.1以更简单的工艺获得了竞争性性能，为大规模生产高性能储能材料提供了新范式。这项工作被发表于《Carbon Trends》，对推动下一代储能器件发展具有重要指导意义。