利用-NH2官能团增加碳材料表面电荷密度

研究背景

由于成本低、储量丰富、离子转移动力学快等优势，水系锌离子杂化电容器（ZHSCs），受到研究者广泛关注。

然而，碳阴极容量低，导致ZHSCs的能量密度相对较低（< 100 Wh kg-1），使得它们与其他储能系统相比没有竞争力。碳材料主要基于双电层电容存储机制来吸附离子，根据公式Cdl=eS/d（其中，e是电解液介电常数；S是电极/电解质接触面积，与比表面积有关；d是双电层厚度）可知，可以通过增加碳材料的比表面积来提高电极与电解质的接触面积S，从而提高碳材料的双电层电容。受现有技术限制，碳材料的比表面积无法无限增大，增加的比表面积也无法保证全部用于离子存储。

有鉴于此，中山大学卢锡洪等团队开发了一种通用的策略减小EDLs厚度d来提升EDLs电容，即利用-NH2官能团增加碳材料表面电荷密度，同时-NH2上的孤电子对可以与Zn2+发生强相互作用，从而有效压缩了EDLs厚度，显著提升了锌离子的存储容量。相关成果发表在国际期刊Angewandte Chemie International Edition上。

图文导读

碳材料的制备与微观结构

首先，以纳米ZnO为模板、KOH为化学活化剂，通过高温煅烧将煤焦油沥青转化为多孔碳（PC）。之后，在乙二胺溶液中，利用多肽缩合试剂将-NH2官能团嫁接到碳材料表面，得到-NH2基团修饰的多孔碳（APC）。相关测试表明，APC表面含有多种含氮物种，缺陷程度更高。

碳材料的电化学性能

电化学测试表明，APC具有超高的锌离子存储容量（255.2 mAh g-1），且展现了优异的容量保持率（50000次循环后，容量保持率为95.5%）和倍率性能，而多孔碳PC容量只有71.1 mAh g-1且库伦效率低（77.6%）。

锌离子存储性能提升的内在机制

电化学测试和理论计算表明，锌离子存储容量的提升源于-NH2官能团上的孤电子对可以增加碳材料表面电荷密度，同时与Zn2+发生强相互作用，从而有效压缩了EDLs厚度。

文献链接： https://doi.org/10.1002/anie.202214773

审核编辑：刘清