碳基對稱超級電容器雖然具有功率密度高和循環壽命長的優勢，但它的能量密度，尤其是體積能量密度還無法滿足現代數字通信和混合動力汽車等日益增長的需求。根據能量密度公式的E=0.5CU2我們可知，提高材料的比電容或拓寬器件的電壓窗口可以有效提升超級電容器的能量密度。但是，受限于水1.23 V的分解電壓，大多數水系超級電容器的工作窗口較?。ā?.0 V），無法提供高的能量密度。電壓窗口拓寬的常見手段有使用離子液體或“鹽包水”電解液、組裝不對稱超級電容器等，但是，這些方法通常是以犧牲超級電容器的倍率性能和循環壽命為代價。對碳材料進行雜原子（例如F, N, S, P, O等）可以明顯提高材料的比電容，但是目前大多文獻報道的雜原子摻雜方法并不能拓寬碳材料的電壓窗口，或者無法從內在根源解釋雜原子摻雜對碳材料電壓窗口的作用。因此，迫切需要開發一種高效的雜原子摻雜方法，來靈活調控碳材料中雜原子的種類和數目，以制備寬窗口、高能量密度、長壽命的水系超級電容器，并明晰雜原子摻雜對碳材料電壓窗口的調控機制。

近日，我?；膶W院金輝樂研究員課題組利用原位脫鹵—聚合—碳化反應合成了一類富含氮的中空碳材料（RNOPCs），其在酸性電解液中展現出超高的體積比電容和能量密度，優于目前所報道的所有碳基超級電容器材料。第一原理計算揭示出摻雜N的孤對電子可以富集到相鄰碳原子上以提升材料的導電性和過電位；雜原子摻雜碳的曲率作用能促進儲能效果。N摻雜到碳材料的有序區域能有效提高比電容，而摻雜到無序結構上則對其比電容提升不大。

【文章要點】

要點一：

RNOPCs材料在0.5 H2SO4電解液中在穩定電壓窗口可達1.4 V，其中RNOPCs-800電極在1 A g-1電流密度下的體積比電容高達1084 F cm-3，在10 A g-1下循環60000圈后的電容保持率高達97%。將RNOPCs-800電極組裝成對稱超級電容器，其能量密度高達54.3 Wh L-1。該工作中RNOPCs-800在酸性電解液中的體積比電容（1084 F cm-3）和能量密度（54.3 Wh L-1）高于目前所報道的所有碳基超級電容器。

要點二：

N摻雜能與附近碳原子進行電子結合，使晶格更加穩定，繼而拓寬超級電容器的穩定電化學窗口。研究發現含sp和sp3雜化結構的無定形碳和鉆石表面無法通過贗電容機制進行儲能；而含sp2雜化結構的石墨烯、碳納米管和有序碳（鍵角接近120o）表面能有效進行贗電容儲存。研究進一步發現碳材料適宜電荷存儲的鍵角范圍為115-125o。隨著碳材料尺寸變化，材料的彎曲程度和鍵角發生變化，儲能能力也會隨之改變。

摻雜碳納米結構的超電容與未摻雜前材料表面位點的吸附能有關，只有N摻雜在ΔGH* > 0的原始位點上才能提高材料的超電容，也就是說摻雜到含有sp2雜化的有序碳結構上才有效。因此，雖然RNOPC-700的N摻雜量更高，但其含有較多無定形結構，因此N摻雜無法提高超電容。反之，RNOPC-900雖然結構有序，但它的N摻雜位點下降過多。只有RNOPC-800含有較多的有序結構和N摻雜位點，展現出最高的比電容。

該研究成果以“Distinguished Roles of Nitrogen-Doped sp2 and sp3 Hybridized Carbon on Extraordinary Supercapacitance in Acidic Aqueous Electrolyte”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。溫州大學為第一通訊單位，化材學院李俊教授、新南威爾士大學夏振海教授和北德克薩斯大學王曉偉博士為本文的共同第一作者，化材學院金輝樂研究員為本文的通訊作者。該工作受到國家自然科學基金項目（51772219, 51872209, 21471116, 21628102, and 61728403）和浙江省自然科學基金項目（LZ18E030001 and LZ17E020002）的支持。

【文章鏈接】

Distinguished Roles of Nitrogen-Doped sp2 and sp3 Hybridized Carbon on Extraordinary Supercapacitance in Acidic Aqueous Electrolyte, Advanced Materials, 2023, doi: 10.1002/adma.202310422

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310422