多孔碳材料因其導電性好，微觀形貌可調控，比表面積大等優點，作為鋅離子電容器電極材料已被廣泛開發和研究。但是由于碳電極材料有效比表面積有限，其上形成的電雙層電容電荷存儲不足，導致能量密度低，極大地限制了碳基陰極材料的開發和利用。雜原子摻雜因可以有效調節碳材料電子分布和化學性質，一直是提高材料電化學儲電能力的有效方法。

為了進一步提高多孔碳材料的電容量，倍率性能和能量密度，我校材料科學與工程學院“資源綜合利用與環境能源新材料”創新團隊張以河教授（通訊作者）、孫黎副教授（通訊作者）以及博士研究生張韓方（第一作者）設計制備了纖維素基氮、磷共摻雜交聯多孔碳納米片（CNPK）作為新型碳基陰極材料，該材料組裝成的水系鋅離子電容器展現出高的能量密度和良好的循環穩定性。交聯的片狀結構有利于提供較大的活性比表面積，同時N和P原子的加入可以促進Zn²⁺與陰極的化學吸附。實驗結果表明，N和P的摻雜賦予了多孔電極良好的導電性、表面潤濕性和較大的電化學活性表面積等一系列優異特性，共同促進了離子/電子的高效傳輸，保證了足夠的電荷存儲空間。此外，通過密度泛函理論（DFT）模擬證明了多孔的N和P共摻雜碳陣有利于促進Zn²⁺在陰極界面上的可逆化學吸附過程。（圖1）

因而，由CNPK電極組裝的ZIC在0.1 A g^-1時具有103 mAh g^-1（232.2 F g^-1）的高的比容量，10000次循環后具有101.8%的電容保持率。此外，能量密度高達81.1 Wh kg^-1，功率密度高達13.366 kW kg^-1。將CNPK組裝成類固態鋅離子電容器，在0.1 A g^-1的電流密度下時可以產生141 mAh g^-1的高容量和89.3 Wh kg^-1的能量密度。兩個串聯的類固態ZIC可以提供3.2 V的電壓，并輕松地點亮并聯的5個LED燈泡。另外，這5個LED燈泡在組裝的類固態ZIC的驅動下可以正常工作約15 min。因此，這種類固態ZIC器件在電能儲存方面具有相當大的潛力。（圖2）

 圖1（a，b）反應過程的相對能量值變化；（c，d）N-C-O-H和P-C-O-H的電荷分布圖

圖2 CNPK基類固體ZIC的電化學性能：（a）類固體ZIC原理圖;（b）不同掃描速率下的CV曲線;（c）不同電流密度下的GCD曲線;（d）類固體ZIC與其他工作的能量密度功率密度比較圖;（e）兩個類固態ZIC串聯供電led燈照片;（f）在不同時間節點供電的5個LED燈的照片

上述研究成果發表于材料領域國際權威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上：Zhang, H; Chen, Z; Zhang, Y; Ma, Z; Zhang, Y; Bai, L; Sun, L, Boosting Zn-ion adsorption in cross-linked N/P co-incorporated porous carbon nanosheets for the zinc-ion hybrid capacitor. Journal of Materials Chemistry A 2021, 9 (30), 16565-16574. [IF 2023=14.511]

全文鏈接：DOI: 10.1039/D1TA03501K