导读：

多孔碳是锌离子混合电容器（ZIHC）最有前途的阴极材料，但受到活性吸附位点不足和电荷存储过程中离子扩散动力学缓慢的限制。鉴于此，中国海洋大学王焕磊教授和吴敬一教授提出了一种合成多通道中空碳纳米纤维（MCHCNF）的孔径构建-孔径扩展策略。相关研究内容以“Multi-Channel Hollow Carbon Nanofibers with Graphene-Like Shell-Structure and Ultrahigh Surface Area for High-Performance Zn-Ion Hybrid Capacitors”为题目，发表在期刊《Small Methods》上。

本文要点：

1、该研究报道了一种制备多通道空心碳纳米纤维的新策略，其具有石墨烯样壳结构，可用于高性能Zn离子混合电容器。

2、通过采用孔结构构建和孔径扩展策略，实现了碳纳米纤维的制备，提高了离子扩散动力学，增加了电荷存储活性位点，并展现出优异的循环稳定性。

3、研究表明，这种碳纳米纤维具有高度匹配的孔径，有助于在Zn离子混合电容器中容纳电荷载体，同时石墨烯样壳结构有助于促进碳纳米纤维中的快速电子传输。

孔径构建-孔径扩展策略如何提高锌离子混合电容器的性能?

本研究中采用的孔径构建-孔径扩展策略通过消除离子扩散动力学中的扩散障碍，增加电荷存储的活性位点数量，提高循环稳定性，提高了zn离子混合电容器的性能。这种策略产生了具有超高表面积和类似石墨烯的壳结构的多通道中空碳纳米纤维，促进电子快速传输，最终改善电容器的高容量、能量密度、功率密度和长周期稳定性。

类石墨烯壳结构在促进碳纳米纤维中的快速电子传输中起什么作用?

碳纳米纤维中的类石墨烯壳结构通过提高导电性来促进电子的快速传输。这种结构为快速电子转移提供了途径，允许电子在材料内有效移动。结果表明，类石墨烯壳有助于提高锌离子混合电容器中碳纳米纤维的充放电率和整体电化学性能。

Scheme 1. MCHCNF和MCHCNF-x的制备工艺示意图。

图1 MCHCNF和MCHCNF-2的电镜表征。a) MCHCNF, b,c) MCHCNF-2的SEM图像。d,e)MCHCNF-2的透射电镜图像和f) MCHCNF-2的高分辨率TEM图像。g) MCHCNF-2的HADDF-STEM图像及相应的元素映射。

图2 a) MCHCNF和MCHCNF-x不同粒径范围内的N₂吸附-解吸等温线，b)相应的孔径分布，c)不同粒径范围内的孔体积比。d) XRD谱图，e) MCHCNF和MCHCNF-x的拉曼光谱。f) MCHCNF和MCHCNF-2的接触角试验。MCHCNF和MCHCNF-2的高分辨率g) C 1s, h) O 1s和i) N 1s XPS光谱。

图3 MCHCNF和MCHCNF-x基锌离子混合电容器的电化学性能。a) ZIHCs的运行机制。b) 20 mV s⁻¹时的CV曲线。c) 0.1 A g⁻¹时的GCD曲线。d)不同电流密度下的速率性能。e) MCHCNF-2阴极与目前报道的碳电极的容量比较。f) MCHCNF和MCHCNF-x的Ragone图。g)基于MCHCNF-2的 ZIHCs的最大能量密度与文献报道值的对比。h) MCHCNF-2基ZIHC在20 A g⁻¹下的循环性。

图4 a)奈奎斯特图和模拟等效电路。b)频率相位角图。c)低频区实际电阻(Z′)与角频率的线性图。d)绘制MCHCNF-2的对数峰值电流和对数扫描率的拟合线。e)扫描速率为50 mV s⁻¹时MCHCNF-2的电容性贡献。f)不同扫描速率下MCHCNF-2的电容贡献。

图5 XPS和XRD分析。a) GCD曲线中选择的电压点(0.1 A g⁻¹)用于非原位表征。高分辨率b) Zn 2p, c) F 1s和d) c 1s XPS光谱。d)基于c1s光谱的─C─O─Zn/C─OH和C─O─Zn/C = O的强度比。e)高分辨率o1s光谱。f)Ex套装XRD谱图。

图6 a-c) MCHCNF-2在不同电压点的非原位SEM图像。d) MCHCNF-2阴极在Zn (CF₃SO₃)₂电解质中的电荷存储机理示意图。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202300714