基于冰模板与熔盐碳化协同策略的多级孔碳材料制备及其高性能超级电容器应用

本研究针对高性能超级电容器电极材料需求，开发了一种以羧甲基纤维素(CMC)为碳源、氯化钠(NaCl)为双功能模板的集成模板策略，通过冰模板法结合熔盐辅助碳化与自模板活化，制备出具有可调比表面积(SSA)和多级孔结构的碳材料(HPCMs)。所得材料在三电极体系中展现414.6 F g?1的高比电容和优异倍率性能，对称器件实现12.3 Wh kg?1能量密度和20,000次循环稳定性，为绿色能源存储材料设计提供新思路。

　　

随着全球电子设备和电动汽车的快速发展，对高效储能系统的需求日益迫切。电双层电容器(EDLCs)因其高功率密度(>10 kW kg^?1)、快速充放电和长循环寿命成为研究热点，但其性能高度依赖电极活性材料的特性。多级孔碳材料(HPCMs)凭借高比表面积(SSA)、多模态孔结构和优异导电性被视为理想电极材料，然而传统制备方法存在工艺复杂、成本高、环境负担大等问题。为此，韩国研究人员在《Sustainable Materials and Technologies》发表研究，提出将冰模板法、熔盐辅助碳化和自模板活化相结合的创新策略，以可持续的羧甲基纤维素(CMC)为碳源，氯化钠(NaCl)同时作为模板和反应介质，成功制备出高性能HPCMs。

关键技术包括：(1)通过调节CMC/NaCl比例(1:2至1:8)控制材料孔隙结构；(2)液氮冷冻实现冰模板定向造孔；(3)800°C熔盐碳化同步完成碳骨架构建与Na₂CO₃自模板活化；(4)水洗去除盐模板获得最终多级孔结构。

材料表征显示：HPCMs具有2,303 m² g^?1的高SSA和1.25 cm³ g^?1孔体积，孔径分布涵盖微孔(<2 nm)、介孔(2-50 nm)和大孔(>50 nm)。XRD和Raman证实材料为无定形碳结构，XPS分析表明表面含氧官能团促进润湿性和赝电容贡献。

电化学性能方面：三电极测试在6 M KOH电解液中，1 A g^?1下比电容达414.6 F g^?1，50 A g^?1时保持52.4%容量；对称器件在1 A g^?1下实现88.7 F g^?1比电容，30 A g^?1时仍有73.2%保持率。值得注意的是，器件在30 A g^?1下循环20,000次后容量几乎无衰减，同时兼具12.3 Wh kg^?1能量密度和15,000 W kg^?1功率密度，性能优于多数报道的碳基超级电容器。

该研究通过集成模板策略突破传统方法局限，证实CMC/NaCl体系可协同优化HPCMs的孔结构和电化学性能。熔盐环境不仅促进碳前驱体高效转化，其密封作用还抑制副反应；而原位生成的Na₂CO₃作为自模板活化剂，避免外加化学活化剂的腐蚀性和环境污染。多级孔结构确保离子快速传输，高SSA提供充足电荷存储位点，表面官能团增强电极-电解液相互作用，共同促成卓越性能。这项工作为设计下一代可持续能源存储材料提供了普适性方法，其绿色合成理念对推动储能技术产业化具有重要启示。