【研究背景】

近年来，随着新能源领域的快速发展，电极材料在各种储能器件中占有极为重要的地位，其结构和组分对其电化学性能而言是至关重要的。针对超级电容器，构建分级孔隙和引入杂原子等策略是提升材料电化学性能的关键。而在众多合成方法中，如何避免繁琐的制备程序，探索低成本的工艺来优化材料形貌、提升电极材料性能是该领域的研究热点之一。

【成果简介】

近日，桂林电子科技大学褚海亮教授和孙立贤教授等通过水热碳化和高温活化的方法制备得到了一种红毛丹状碳微球。该材料是由三维多孔碳网络组成的分级多孔结构，这种独特的微观结构可提高比表面积的利用率，适合作为超级电容器电极材料。得益于连通的分级开放结构、高比表面积和额外的赝电容，该材料表现出优异的电化学性能，即拥有超高的比容量（0.5 A g-1为397 F g-1）、卓越的倍率性能（20 A g-1为288 F g-1）和良好的循环稳定性（10000圈容量保留95%）。研究成果以“Rambutan‐like hierarchically porous carbon microsphere as electrode material for high‐performance supercapacitors”为题发表在《Carbon Energy》上。

【内容概述】

前期研究表明，以廉价的生物质葡萄糖为碳源，选用鸟嘌呤和氨基脲为氮源，采用水热碳化法结合氢氧化钾活化分别可以制备掺杂三明治状碳纳米片[Inorganic Chemistry Frontiers, 2018, 5: 225-232]和氮掺杂多孔碳微球[Catalysis Today, 2018, 318: 150-156 ]。

本文选用氨基羧酸类物质二乙烯三胺五乙酸（DTPA）作为氮源，对葡萄糖衍生的多孔碳材料进行修饰，经过高温热解活化制备得到红毛丹状分级多孔碳微球（PCMs）。DTPA 具有高含氧量和含氮量，在高温碳化过程中，该类表面官能团会发生分解，有利于碳材料孔隙结构的生成，可扩宽微孔结构，增加介孔含量，提高电解液离子的传输速率，优化电极材料的倍率性能。经过KOH活化后PCM-2展示出有相互连通的大孔网络组成的三维红毛丹状微观结构。

该材料具有快速的电荷传输通道和额外的赝电容，源于其分级孔结构特性与丰富的氧和氮掺杂位点发生的氧化还原反应，使其适宜于作为超级电容器的电极材料。在0.5 A g-1电流密度下，PCM-2的比电容高达 397 F g-1，同时其具有良好的倍率性能和循环稳定性，在20 A g-1时比电容为288 F g-1，10000次循环之后容量保持率为95%，其性能优于之前报道的电极材料。此外，由该材料组装的对称器件也表现出良好的电化学性能。由于其优越的结构特点，这种独特的分级多孔微球可以进一步应用于其他领域，包括能量储存、催化剂载体、吸附介质和色谱分离系统等。