比电池循环寿命更长、性能更出色的形式！这篇Science，别开生面！

研究背景

电化学双电层电容器（EDLCs）作为一类超级电容器储能设备，拥有比电池更长的循环寿命和更出色的功率性能。其中，使用活性碳电极形成的EDLCs是最常见且最便宜的类型，这些电极由无序的、类似石墨烯的薄片构成，形成了具有不同孔径分布的多孔网络。为了提高这些设备的能量密度，许多研究都致力于改变纳米多孔碳电极的结构，以调整碳孔径。然而，过去的研究结果显示，随着碳孔径减小，电容并没有如预期般增加，这引起了人们对电容提高机制的深入探讨。

随着时间的推移，固态核磁共振（NMR）光谱已成为研究EDLC电极局部结构和电荷存储机制的重要工具。NMR光谱测量碳材料饱和电解质时，可以分离出“孔内”和“孔外”离子的共振信号。Δδ值则可以量化这种区别，它是孔内共振化学位移与相应纯电解质的化学位移之间的差值，是评估纳米多孔碳局部结构无序程度的有力指标。

成果简介

针对这一挑战，剑桥大学化学系Alexander C. Forse教授团队在“Science”期刊上发表了题为“Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons”的论文。他们通过对一系列商业纳米多孔碳的评估，发现了电容与孔径大小之间的缺乏相关性，并揭示了电极结构无序与电容之间的强相关性。更具有无序结构的碳材料表现出更高的电容，这是由于它们能够更有效地在纳米孔中储存离子。因此，本研究为理解和利用无序结构来实现高能量密度超级电容器提供了新的思路和方法。这一发现有望为未来超级电容器的设计和优化提供重要的指导。

图文导读

图1展示了研究碳材料的孔隙度与电容之间的关系。首先，在图1A中展示了五种商业纳米多孔碳材料的孔径分布情况，发现它们具有相似的孔径分布。然后，在图1B中，展示了这五种碳材料在标准NEt4BF4/乙腈电解质中的电容值，发现尽管孔径分布相似，但电容值却存在显著差异。此外，图1C和图1D展示了三种商业活性碳布的孔径分布情况和电容值，结果表明，尽管孔径分布和比表面积有所不同，但这些材料的电容值却非常相似。进一步分析发现，电容与平均孔径以及比表面积之间并没有明显的相关性（见图1E和图1F）。最后，通过X射线光电子能谱（XPS）测量得到的氧含量也没有显示出与电容的明显相关性。这些结果表明，除了孔径大小和表面积外，其他结构特征可能对电容具有影响。研究者的工作为理解和优化纳米多孔碳材料的电容性能提供了重要见解，有助于指导超级电容器的设计和制备。

图1. 研究中的碳材料孔隙率与电容的关系。

在图2中，研究者首先利用魔角旋转（MAS）核磁共振（NMR）光谱分析了电解质饱和的碳材料，以探究其局部结构有序性的差异。通过19F MAS NMR光谱，他们发现不同碳材料的化学位移差异（Δδ值），这表明不同结构无序性的碳材料在吸附离子方面存在显著的差异。虽然未发现离子吸附容量与电容之间的明确相关性，但研究者发现电容与Δδ值之间存在相关性，具有较小Δδ值的碳材料显示出较高的电容。此外，他们通过热退火实验验证了这一假设，发现增加结构有序性会导致电容降低，从而进一步支持了结构无序性对电容的影响。

图2. 局部结构无序性的表征及其与电容的相关性。

在图3中，研究者通过现场NMR实验探究了碳材料的电荷存储机制，并研究了局部结构无序性对其的影响。图3A展示了在不同电压下充电电极的阳离子和阴离子的吸收情况。研究发现，对于结构更无序的碳材料，其在给定电压下存储离子的能力更强（图3B）。进一步的分析表明，较小域的碳材料能够更有效地存储离子，从而导致了更高的电容。这些发现提示，碳材料的局部结构无序性不仅影响了电容的大小，还影响了其电荷存储机制，从而为超级电容器的设计和优化提供了新的视角。

图3. 两种具有不同局部结构无序性的碳材的电荷补偿机制。

总结展望

本文揭示了碳材料电容性能的一个关键因素，即电极的结构无序性。通过对商业活性炭进行一系列电化学测量和NMR光谱实验，研究者们发现了电容与电极结构无序性之间的强相关性，而不是与孔径大小或比表面积有关。这一发现为超级电容器电极材料的设计和合成提供了全新的视角和指导。此外，本研究还表明了NMR光谱技术在研究碳材料电极结构和性能方面的潜力，为开展进一步的研究提供了有力工具。

文献信息

Xinyu Liu et al. ,Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons.Science384,321-325(2024).

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