金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室先進(jìn)炭材料研究部成會明研究員、李峰副研究員和博士研究生王大偉等與澳大利亞昆士蘭大學(xué)逯高清教授合作，在國家自然科學(xué)基金委的支持下，設(shè)計并制備出一種局域石墨化三維層次多孔結(jié)構(gòu)的新型多孔炭材料（Hierarchical Porous Graphitic Carbon, HPGC）。該材料在高倍率條件下同時具有很高的能量密度和功率密度，可用作超級電容器的電極材料，相關(guān)論文在Angewandte Chemie International Edition（47，373-376，2008）上發(fā)表。
開發(fā)在高倍率條件下具有高能量/高功率密度的多孔炭材料是能源用炭材料領(lǐng)域的主導(dǎo)研究方向之一?；谠擃惒牧系膬δ芷骷夒娙萜鳎c混合動力汽車和電動汽車的發(fā)展密切相關(guān)。然而，目前報道的多孔炭材料的能量密度和功率密度在高倍率條件下通常迅速衰減，很難滿足電動汽車等對超級電容器高能量/高功率密度的迫切需求。
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，同時盡可能獲得局域石墨片層結(jié)構(gòu)的電極材料設(shè)計思想。其設(shè)計原理是：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)能量存儲與轉(zhuǎn)換能力。
HPGC結(jié)構(gòu)的諸多特點，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。實驗結(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)能量存儲與轉(zhuǎn)換能力。優(yōu)異的高倍率儲能性能在水系和有機(jī)系電解液中均能實現(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，還可望實現(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汽車超級電容器用優(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。
圖1 HPGC材料的結(jié)構(gòu)模型和電子顯微照片
圖2 HPGC基超級電容器在水溶液和有機(jī)溶液中的能量密度與功率密度
（金屬所供稿）
