镍催化与乙酸钾活化协同构建三维石墨化多孔碳及其超电容性能提升机制

针对超级电容器电极材料导电性与孔隙结构难以协同优化的难题，山东科研团队创新性地采用镍催化石墨化与乙酸钾活化双重策略，成功制备出具有高比表面积(1250 m2 g?1 )和优异结晶度的三维聚多巴胺衍生碳(PDC)。该材料在1 M H2 SO4 和6 M KOH电解液中分别实现284.5 F g?1 和267.1 F g?1 的高比电容，对称超级电容器能量密度达14.2 Wh kg?1 ，为低温石墨化多孔碳材料设计提供新范式。

　　

随着全球对可持续能源需求的激增，开发高效环保的储能器件成为当务之急。超级电容器(Supercapacitor)因其高功率密度、长循环寿命和快速充放电特性，在电动汽车、可穿戴设备等领域展现出巨大潜力。然而，其能量密度提升始终面临关键瓶颈——传统多孔碳材料往往通过强碱活化获得高比表面积，却以牺牲导电性和结构稳定性为代价；而高温石墨化工艺需3000°C以上条件，成本高昂且难以规模化。如何实现材料孔隙结构与导电性的协同优化，成为突破超级电容器性能天花板的核心科学问题。

山东科研团队Yuanzhe Fu等人在《Journal of Energy Storage》发表的研究中，创造性地将镍催化石墨化与乙酸钾(KAc)化学活化相结合，开发出具有分级孔隙和高度石墨化网络的三维多巴胺衍生碳材料(PDC)。研究发现残留0.5 at.%的镍与KAc存在显著协同效应，使石墨化温度降至800°C，同时构建出1250 m²
g^?1
的高比表面积。最优样品PDC-4在酸性/碱性电解液中均展现>265 F g^?1
的超高比电容，其对称器件能量密度突破14 Wh kg^?1
，性能指标超越多数已报道材料。

研究采用镍泡沫模板法制备三维碳骨架：先将多巴胺聚合体包覆于镍泡沫，600°C碳化后酸洗去镍，获得具有连续导电网络的Pre-PDC；随后将KAc与碳前驱体按质量比1:1至4:1混合，在800°C进行协同活化-石墨化处理。通过XRD、Raman、BET等技术系统表征材料结构，并采用三电极体系和对称器件测试电化学性能。

Material preparation
研究团队通过多巴胺在镍泡沫表面的原位聚合-碳化，构建三维导电骨架。关键创新在于采用KAc替代传统KOH活化剂，其分解产生的K₂
CO₃
和K₂
O在800°C即可与碳反应造孔，同时残留的微量镍催化形成局部石墨微晶。

Results and discussion
扫描电镜显示PDC-4呈现独特的多孔片层结构，与未活化样品PDC-0的致密表面形成鲜明对比。XRD图谱在26°出现尖锐的(002)晶面衍射峰，证实高度石墨化；Raman测试的I_D
/I_G
比值低至0.89，表明缺陷浓度显著降低。电化学测试揭示PDC-4在10 A g^?1
大电流下仍保持92%的容量，归因于分级孔隙促进离子传输与石墨网络保障电子传导的协同作用。

Conclusions
该研究开创性地证实镍与KAc的协同作用可实现"低温石墨化-可控造孔"一体化：镍催化降低碳层堆叠能垒，KAc分解产物同时刻蚀形成介孔/大孔。这种双功能策略使材料兼具高导电性(3.2 S cm^?1
)和优化孔隙结构(微孔率62%)，解决了传统材料"高比表面积-低导电性"的矛盾。所开发的PDC-4在6000 W kg^?1
超高功率下仍保持8.8 Wh kg^?1
能量密度，为电动汽车启停系统等瞬态大功率应用提供理想电极材料。

这项工作的科学价值在于：首次阐明过渡金属催化与钾基活化剂的协同机制，建立"催化剂残留量-活化剂比例-热处理温度"的构效关系模型，为高性能碳材料设计提供普适性指导原则。工艺上采用环境友好的KAc替代腐蚀性强的KOH，且将石墨化温度降低60%以上，具有显著的产业化应用前景。