該研究組研究了在多孔炭電極中發(fā)生的基本電化學(xué)過程(J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8570-8575)，發(fā)現(xiàn)多孔電極的電荷存儲(chǔ)能力由多孔結(jié)構(gòu)的離子傳輸性能(受孔的尺寸、形狀及取向等因素影響)、多孔炭的電子導(dǎo)電性以及電解液性質(zhì)和電解液與炭材料之間的物理化學(xué)相互作用等因素所決定。據(jù)此他們提出將不同尺度孔(大孔-中孔-微孔)以三維網(wǎng)絡(luò)形式組裝，同時(shí)盡可能獲得局域石墨片層結(jié)構(gòu)的電極材料設(shè)計(jì)思想。其設(shè)計(jì)原理是：局域石墨化三維層次多孔結(jié)構(gòu)(HPGC結(jié)構(gòu))可充分利用大孔結(jié)構(gòu)作為準(zhǔn)體相的電解液儲(chǔ)存池以縮短離子擴(kuò)散距離，中孔結(jié)構(gòu)提供快速的離子輸運(yùn)通道，大孔-中孔協(xié)同作用可實(shí)現(xiàn)電解液離子在多孔炭電極中的準(zhǔn)體相快速擴(kuò)散行為；微孔的高靜電吸附容量賦予優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能活性；局域石墨片層則能夠提高材料本體的電子導(dǎo)電性(參見圖1)。HPGC結(jié)構(gòu)可有效增加離子可利用的電化學(xué)活性表面積和電化學(xué)活性，并顯著降低大電流導(dǎo)致的電位極化，從而獲得在高倍率條件下高能量/高功率密度的電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換能力。

　　HPGC結(jié)構(gòu)的諸多特點(diǎn)，使其制備十分困難。為此科研人員提出了采用液相無機(jī)模板方法，制備出具有上述大孔-中孔-微孔三維層次孔結(jié)構(gòu)和局域石墨片層結(jié)構(gòu)的HPGC材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，HPGC材料比活性炭和有序介孔炭材料具有更加優(yōu)異的高倍率電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換能力。優(yōu)異的高倍率儲(chǔ)能性能在水系和有機(jī)系電解液中均能實(shí)現(xiàn)，該性能超過美國提出的PNGV((the Partnership for a New Generation of Vehicle)功率指標(biāo)(參見圖2)。如果進(jìn)一步提高電解液的工作電壓，在保持優(yōu)于PNGV功率密度指標(biāo)的同時(shí)，還可望實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。這些結(jié)果表明局域石墨化三維層次多孔結(jié)構(gòu)炭材料有望成為電動(dòng)汽車超級(jí)電容器用優(yōu)良的電極材料。

　　此外，上述液相無機(jī)模板方法還是一種普適的多孔材料合成方法。通過調(diào)節(jié)模板材料的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠獲得具有不同結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)如帶磁性的層次孔炭材料及炭基復(fù)合材料，這些材料在磁性分離、催化等清潔能源與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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