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为解决超级电容器电极材料性能提升问题，研究人员开展了以非晶碳纳米泡沫（a-C NF）为对象的研究。通过在不同背景气体下制备 a-C NF 并用于超级电容器电极，发现氮掺杂的 a-C:N NF 电荷存储性能更优，这为超级电容器发展提供了新方向。
在能源存储领域，超级电容器凭借其高功率密度、长循环寿命等优势备受关注，成为研究热点。然而，寻找高性能的电极材料一直是制约超级电容器进一步发展的关键难题。传统的电极材料在电容、稳定性等方面存在诸多不足，难以满足日益增长的能源需求。例如，一些材料需要高温合成，制备过程复杂且成本高昂；部分材料的电荷存储性能不佳，无法实现高效的能量转换与存储。在这样的背景下，开展新型电极材料的研究迫在眉睫。
为了攻克这些难题，来自国外的研究人员进行了深入探索。他们致力于研究非晶碳纳米泡沫（a-C NF）在超级电容器电极中的应用，期望通过对 a-C NF 的改性，提升超级电容器的整体性能。该研究成果发表在《Carbon Trends》上，为超级电容器领域带来了新的突破与希望。
在本次研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用脉冲激光沉积（PLD）技术，以石墨为靶材，在不同背景气体（Ar、N?、N? - H?）下于室温合成 a-C NF。利用场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）观察其形貌，通过能量色散 X 射线光谱（EDX）和 X 射线光电子能谱（XPS）分析元素组成与化学键合情况，借助拉曼光谱（Raman）研究结构特征。最后，使用电化学工作站进行循环伏安法、充放电测试等，评估其电化学性能。
形态学研究
研究人员利用 FE - SEM 对不同背景气体下制备的 a-C NF 进行观察。结果发现，不同背景气体制备的 a-C NF 在形貌上无明显差异，均呈现高度多孔结构，其体积孔隙率约为 98%，远高于其他碳基纳米结构。不过，它们在厚度和质量密度上存在差异。a-C:N NF 和 a-C:N:H NF 的质量密度相近，且高于 a-C NF。此外，a-C:N NF 的沉积速率最快，厚度最大，这归因于背景气体的性质影响了等离子体羽的传播和沉积过程。
结构研究
通过 Raman 光谱分析，发现所有 a-C NF 在 1300 - 1600 cm?1 范围内均呈现典型的 sp2 特征峰（D 峰和 G 峰），且 a-C:N:H NF 因氢的掺入具有更高的光致发光背景。进一步的定量分析表明，a-C:N NF 和 a-C:N:H NF 的 G 峰位置相似且更接近石墨化，说明氮的存在促进了 sp2 簇的形成。而 a-C:N NF 的 ID/IG比值高于 a-C:N:H NF，表明其 sp2 簇的无序度更低。
EDX 和 XPS 分析显示，a-C:N NF 的碳含量最高，且含有较多的氮。高分辨率 XPS 光谱对 a-C:N NF 的 C1s、N1s 和 O1s 光谱进行解卷积，发现 a-C:N NF 具有较高的 sp2/sp3 比值和石墨氮含量，这对其电化学性能具有重要影响。
电化学研究
研究人员对 a-C NF 的电荷存储性能进行了全面测试。循环伏安法结果显示，a-C NF 呈现准矩形的循环伏安曲线，在高扫描速率下形状保持不变，表现出接近理想的超级电容器行为。其中，a-C:N NF 的性能最佳，其在 20 mV/s 时的面电容可达 4.1 mF/cm2，优于 a-C NF 和 a-C:N:H NF。
充放电测试结果与循环伏安法一致，a-C:N NF 在不同电流密度下均表现出良好的电容性能。此外，a-C:N NF 的循环稳定性极佳，经过 10000 次充放电循环后，电容保持率仍高达 98%。通过 Ragone 图评估超级电容器的能量密度和功率密度，发现 a-C NF 的性能与现有报道和商业设备相当，且在电极厚度受限的情况下具有潜在应用价值。
事后分析
研究人员对电化学测试前后的 a-C NF 进行了 SEM 和 Raman 光谱分析。结果表明，a-C NF 在测试后虽有团聚现象，但仍保持泡沫状形貌。Raman 光谱显示，测试前后光谱特征基本相似，仅存在轻微变化，说明 a-C NF 在电化学过程中结构相对稳定。
综合上述研究，研究人员成功通过室温脉冲激光沉积法，以氮气为背景气体在集流体上合成了氮掺杂非晶碳纳米泡沫（a-C:N NF）。该材料具有高度多孔（体积孔隙率 98%）、轻质（质量密度约 43 mg/cm3）和低有序度的特点。作为超级电容器电极，a-C:N NF 凭借其更高的平均厚度、更多的产量、更高的 sp2/sp3 含量、更无序的结构以及更高的氮含量和石墨氮含量，展现出优异的电荷存储性能。其在水性电解质中 20 mV/s 时的面电容高达 4.1 mF/cm2，在高电流下保持良好的电容性能，且经过 10000 次充放电循环后稳定性达 98%。
这项研究成果意义重大，为超级电容器电极材料的发展开辟了新途径。a-C:N NF 无需使用粘结剂和导电添加剂，制备过程简单且可在室温下直接在所需基底上生长，具有诸多优势。这不仅有助于推动超级电容器在电子设备、新能源汽车等领域的广泛应用，还为后续高性能电极材料的研究提供了重要参考，有望引领该领域的进一步发展。
