一、   研究背景

水系锌离子电容器因具有能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、成本低等优点而受到广泛关注。但仍面临一些难题，如不可逆析氢、析氧副反应及低温性能差等问题。采用乙醇电解液（ZnCl₂/EtOH）能够进一步拓宽锌离子电容器的电压窗口，抑制析氢副反应，提升循环稳定性和能量密度；同时带来优良超低温性能，可以在-78 ℃下正常工作；而且电解液中形成独特的配位结构 ([ZnCl(EtOH)₅]⁺) 可以诱导锌离子均匀沉积，抑制锌枝晶的生长。因此，乙醇体系锌离子电容器是一种有前景的电化学储能装置。

活性炭具有比表面积高、孔结构易调整、理化性能稳定、导电性高、资源丰富、成本低等优点，是锌离子电容器的正极材料。引入含氧官能团可改变炭材料的表面化学状态，提供更多Zn²⁺的电化学活性位点，是提高锌离子电容器性能的有效策略。

二、   工作简介

陈永教授团队采用硝酸氧化并结合热处理的方法来调控炭材料表面氧官能团的种类和数量。研究发现，氧官能团不仅可以提高炭表面润湿性，还能增加乙醇电解液中可逆的氧化还原反应，提供赝电容，极大地提升锌离子电容器能量密度。

三、   核心图文解析

经分析比表面积和孔结构发现，硝酸氧化导致多孔炭的比表面积和孔容都出现了一定程度的下降，说明硝酸氧化过程导致了部分孔结构破坏；在进一步的热处理过程中，随着温度的升高，比表面积和孔容略微增加，这是因为惰性气氛下热处理导致氧官能团的分解和转换。与未处理的多孔炭相比，硝酸氧化的样品都表现出更低的接触角，改善了样品的润湿性，增加了离子可及的面积，也有利于离子快速储存过程。其中，AC-O-500样品润湿性最好。

图1 （a）氩气吸脱附等温线；（b）孔径分布图；（c）接触角测试。

红外光谱分析和XPS测试结果表明，硝酸氧化之后氧含量大幅度增加，从5.97%上升到13.16%。随着后续热处理温度的升高，氧含量逐渐降低，不稳定的表面氧官能团会逐渐分解，并会发生-OH/-OH、-OH/-COOH之间脱水缩合反应。在500 ℃下热处理得到的AC-O-500样品表面具有最多的-COO官能团。

图2 （a）红外光谱；（b）XPS分析；（c）氧官能团含量图。

锌离子电容器的电化学性能研究表明，AC-O-500具有最高的比电容，在CV曲线中观察到明显的氧化还原峰。在1 A/g下，AC-O-500样品比电容达到195 F/g，比原始多孔炭（125 F/g）提高了56%，这说明表面氧官能团带来更多电化学活性位点，并与Zn²⁺进行氧化还原反应提供了可逆赝电容，而循环性能稳定，循环16000次后仍能保持95.1%的容量和100%的库伦效率（图3c），并在4510 W/kg的高功率密度下表现出64 Wh/kg的能量密度（图3d）。

图3 （a）CV测试；（b）倍率性能图；（c）长循环性能图；（d）能量密度图。

四、结论

采用硝酸氧化和热处理的方法能够有效地调控活性炭表面的氧官能团，大幅提升锌离子电容器的电容性能，比电容提高56%，在4510 W/kg的高功率密度下，能量密度仍达到64 Wh/kg，同时具有优异的稳定性。其中-COO官能团是主要的电化学活性位点，提供了较大的可逆赝电容。本工作通过优化氧官能团增强了多孔炭的电容性能，并为乙醇体系的锌离子电容器的商业应用提供支撑。

New Carbon Materials 文章信息

YUAN Ping, XIAO Hao-ming, LI Jun-yi, LUO Jun-hui, LUO Xian-you, CHEN Da-ming, LI De, CHEN Yong. Optimizing oxygen substituents of a carbon cathode for improved capacitive behavior in ethanol-based zinc-ion capacitors. New Carbon Mater., 2023, 38(3): 522-533. Doi: 10.1016/S1872-5805(23)60733-4.

袁平,肖浩鸣,李均益,罗俊辉,罗先游,陈大明,李德,陈永.表面氧官能团增强锌离子电容器的电容性能.新型炭材料（中英文）,2023, 38(3): 522-533. Doi:10.1016/S1872-5805(23)60733-4.

期刊官网：

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/

国际版主页：

https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

     期刊公众号