拓撲缺陷和異質(zhì)原子摻雜對碳材料雙電層電容的影響機制
超級電容器，由電極與電解液之間的固/液界面處形成的雙電層來存儲電能，是電化學(xué)儲能技術(shù)的重要組成部分。因具有優(yōu)異的功率密度和循環(huán)壽命，已經(jīng)被運用在汽車、軌道交通和重型起重等領(lǐng)域。但相比電池（基于法拉第反應(yīng)的電化學(xué)儲能器件），超級電容器的能量密度過低，因此提高器件的能量密度是長期以來超級電容器研究的重要方向。大量的研究工作發(fā)現(xiàn)，在碳材料中引入拓撲缺陷或異質(zhì)原子能夠極大的提高電極的質(zhì)量比電容。然而截至目前，仍有重要的原理性的問題沒有達成共識，如：缺陷或異質(zhì)原子為什么可以提高雙電層電容，通過何種途徑，這兩種因素的共性與區(qū)別等。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授課題組與喬振華教授課題組合作，結(jié)合實驗測量與理論模擬從碳材料的電子結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)對缺陷與異質(zhì)原子對雙電層電容的影響做出了闡述。該成果以“The Origin of Improved Electrical Double-Layer Capacitance by Topological Defects and Dopants in Graphene for Supercapacitors”為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605926）。論文的共同第一作者分別是材料與科學(xué)工程系的研究生陳佳鳳和物理系的研究生韓玉磊。
研究發(fā)現(xiàn)，缺陷與異質(zhì)原子的引入同樣會改變碳材料的電子結(jié)構(gòu)，進而改變量子電容的大小，而量子電容是限制雙電層電容的一個重要因素。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，缺陷與異質(zhì)原子改變電子結(jié)構(gòu)的方式卻截然不同。缺陷提高了碳材料的電子態(tài)密度（DOS），這直接提高了量子電容，進而提高了雙電層電容。異質(zhì)原子摻雜主要改變的是碳材料的費米能級（Fermi level），對電子態(tài)密度的影響相對可以不計，因此對雙電層電容的影響強度還與電化學(xué)窗口的位置相關(guān)。
文獻鏈接: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201605926/abstract
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