生物质衍生多级孔道活性炭调控构建高比电容锌离子混合超级电容器

本研究针对锌离子混合超级电容器（ZiHSC）中碳阴极孔径与[Zn·(H2O)6]2+离子尺寸不匹配的关键问题，通过化学-物理协同活化策略制备具有分级孔结构的木材衍生多孔碳（PHAC）。该材料在0.2 A/g电流密度下展现269.54 mAh/g的比容量和210.76 Wh/kg的能量密度，循环20 000次后容量保持率达93.55%，为高性能储能器件设计提供了新思路。

　　

随着清洁能源汽车的快速发展，传统化石燃料车辆正逐步被取代，这对先进储能技术提出了更高要求。锌离子混合超级电容器（ZiHSC）因其高能量密度、优异理论容量和快速充放电能力备受关注，但其性能受限于碳阴极孔径与[Zn·(H₂O)₆]²⁺水合离子（直径约0.86 nm）的尺寸失配问题，导致离子迁移动力学减弱和能量密度降低。西北农林科技大学机械与电子工程学院的研究团队通过创新性的化学-物理协同活化策略，成功制备出具有分级孔结构的木材衍生多孔碳材料，相关成果发表在《Journal of Bioresources and Bioproducts》。

研究采用微波辅助的H₃PO₄化学活化与H₂O蒸汽物理活化相结合的方法，通过热还原反应将预存孔隙从0.54 nm扩增至0.71 nm和1.13 nm。关键技术包括：1）微波加热反应器制备多孔碳；2）N₂吸附-脱附等温线表征孔结构；3）三电极体系测试电化学性能；4）原位X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析电荷存储机制；5）分子动力学模拟水合锌离子扩散行为。

3.1 材料结构与表征

通过SEM和TEM观察到PHAC具有明显分级孔隙，BET测试显示其比表面积达1489.86 m²/g，介孔比例提升至58.10%。拉曼光谱证实协同活化增加了缺陷程度（I_D/I_G=0.9296），XPS显示氧官能团含量显著提升，增强了材料亲水性。

3.2 电化学性能

在三电极体系中，PHAC电极在5 mV/s扫描速率下比电容达412.76 F/g。组装的ZiHSC器件在0.2 A/g电流密度下实现269.54 mAh/g比容量，能量密度高达210.76 Wh/kg，且循环20 000次后容量保持率93.55%，优于单一活化法制备的对照样品。

3.3 储能机制解析

原位XRD揭示放电过程中Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O晶体在电极表面的动态相变，分子动力学模拟证实0.71 nm孔径可实现[Zn·(H₂O)₆]²⁺的阶梯式脱溶剂化，降低扩散能垒。

该研究创新性地通过协同活化策略解决了ZiHSC中离子尺寸与孔径匹配的关键科学问题。分级孔结构不仅提供快速离子传输通道，其优化的孔径分布（0.71-1.13 nm）还能促进水合锌离子的选择性脱溶剂化。表面富集的氧官能团（C=O含量达38.43%）增强了法拉第反应贡献，而原位形成的Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O晶体可抑制锌枝晶生长。这种"孔道设计-表面修饰-界面调控"的多尺度优化策略，为高性能储能材料的工业化制备提供了新范式。