多级孔道与氮掺杂协同优化的碳阴极设计实现高性能锌离子电容器

为解决锌离子电容器（ZICs）中碳阴极活性位点稀缺、离子迁移受限及循环稳定性不足等问题，研究人员通过模板法构建了氮掺杂有序大孔/介孔/微孔碳（N-Macro/Meso/Micro-C），实现了143.14 Wh kg?1 /40.1 kW kg?1 的高能量/功率密度及50,000次循环后88%的容量保持率，为柔性电子器件能源存储提供新策略。

　　

随着智能电网、电动汽车和可穿戴设备的快速发展，对高性能电化学储能系统（EES）的需求日益迫切。锌离子电池（ZIBs）凭借锌负极的高理论容量（823 mAh g^?1
）和安全性优势备受关注，但其功率密度低和循环寿命短的问题阻碍了商业化进程。超级电容器虽具有高功率特性，却受限于能量密度不足。锌离子电容器（ZICs）作为新兴混合储能技术，试图整合两者的优势，但碳阴极的孔道结构无序和活性位点利用率低仍是瓶颈。

河北某研究团队在《Microporous and Mesoporous Materials》发表研究，提出通过模板法和KOH活化协同调控氮掺杂碳阴极的多级孔道结构（大孔、介孔、微孔），并系统探究了不同孔组合（N-Macro/Meso/Micro-C、N-Macro/Meso-C、N-Macro/Micro-C）对ZICs性能的影响。研究采用二氧化硅胶体晶体模板构建有序大孔，软模板法引入介孔，KOH活化生成微孔，结合氮掺杂增强锌离子亲和力。

结果与讨论

1. 材料表征：SEM显示N-Macro/Meso/Micro-C具有高度有序的大孔阵列，介孔桥接大孔与微孔，BET测试证实其比表面积达1280 m²
   g^?1
   。XPS分析表明氮掺杂以吡啶氮为主，可提升Zn²⁺
   吸附能。
2. 电化学性能：N-Macro/Meso/Micro-C阴极在0.1 A g^?1
   下容量达218.8 mAh g^?1
   ，50 A g^?1
   时仍保持102 mAh g^?1
   ，优于单一孔结构的对照组。原位Raman证实[Zn(H₂
   O)₆
   ]²⁺
   在分级孔道中的快速扩散。
3. 柔性器件应用：组装的锌离子微电容器（ZIMCs）在弯曲状态下容量保持率超过95%，1000次循环后电容保留87%。

结论与意义
该研究阐明了多级孔道的协同机制：大孔作为“离子高速公路”加速电解液传输，介孔优化离子分配，微孔提供高密度活性位点，氮掺杂则通过电子结构调控提升反应动力学。这种孔道-掺杂双工程策略为下一代高性能ZICs设计提供了理论依据，尤其推动了柔性电子设备的实用化进程。研究首次通过实验验证了分级孔比例（大孔:介孔:微孔≈3:1:6）对Zn存储的定量影响，填补了碳阴极结构-性能关系的认知空白。