Advanced Functional Materials:超级电容器与氧还原的二重奏,异曲同工!

新能源时代对当前的电化学储能与转化技术提出了越来越高的要求,用以满足物联网、电子终端及智能电网的发展需求。因此,越来越多的研究更加青睐于开发具有双功能甚至多功能的电储能及转化器件。虽然诸多材料(杂原子掺杂的碳材料、过渡金属氧化物、硫化物等)已在双功能超电和氧还原上实现了突破,但是其双功能的本质及电化学机制很少有研究涉猎,这主要是由于合成电极材料本身结构与组成的复杂性及多种类型的活性中心协同机制导致回溯双功能的本源十分困难。

为了从本质上揭示双功能的电化学机制,近期,温州大学王舜团队的金辉乐教授和美国北德克萨斯大学Zhenhai Xia教授合作,共同在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表相关研究工作“Insights of Heteroatoms Doping-Enhanced Bifunctionalities on Carbon Based Energy Storage and Conversion”(DOI:10.1002/adfm.202009109)。该工作利用原位聚合的方法设计合成了一种富含氮、磷、硫三掺杂的多孔碳材料,所制备碳材料不仅展现出优异的电容性能,而且还表现出极佳的氧还原性能,半波电位可达0.89 V (vs. RHE)。如图1所示。

图1.  N,P,S-三掺杂多孔碳优异的超电和氧还原双功能性能。

该工作的实验对比和理论模拟结果标明,超级电容器和氧还原的双功能性可能起源于同一类活性位点。例如,N,S-双掺杂在图2c中表现出了最高的比电容,同时N,S-双掺杂在图2d中表现出了最低的氧还原过电势,揭示了该种双掺杂类型的碳活性中心在超电和氧还原双功能机制中起到了至关重要的作用。DFT模拟进一步发现,当掺杂种类越来越多时(如图2e-2g),多掺杂还会引起临近碳的正负电荷密度重新分布,进而使得临近的碳中心也变成了活化位点,从而更加促进了超级电容器和氧还原的双功能性。该研究为新的多功能材料设计提供了重要的理论指导和实验依据。

2. (a)杂原子掺杂位点,(b)不同杂原子掺杂位点的化学吸附能,(c)不同杂原子掺杂位点的比电容,(d)不同杂原子掺杂位点的氧还原过电势,(e-f)单掺杂、双掺杂、三掺杂的微分电荷密度分布图。