溫州大學王舜教授課題組在開發具有高體積比能量的新型高密度碳基儲能材料方面做了一系列開創性的工作。一方面，他們利用可再生的廉價生物質楊梅、雞蛋等前驅體，低成本量化製備了系列鐵/氮/硫共摻雜的生物質衍生碳基複合材料（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702695; Adv. Energy Mater. 2018, 9, 1803221; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801007）。如楊梅衍生的鐵基化合物/多孔碳球/片複合材料創造了生物質碳基材料迄今最高的體積比電容（1320.4 F/cm3）和體積比能量（221.9 Wh/L）以及大電流充 放電（100 A/g）條件下的最長循環壽命（>10 萬次）（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702695）。另一方面，他們創新性地提出並建立了一種基於含氮雜環化合物與滷代共軛二烯間原位脫滷聚合的新方法，構建了一系列多種雜原子摻雜的高密度多孔碳，創造了無金屬碳基水系超級電容材料在鹼性介質中迄今最高的體積比電容和體積比能量，研究結果以「Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials with Unprecedented High Volumetric Capacitive Performance」為題發表於Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 2397），併入選高被引論文。然而，上述研究尚未能回答為何雜原子摻雜碳材料可以突破水的熱力學分解電壓（1.23 V），進而實現緻密儲能？
近期，他們與美國北德克薩斯大學夏振海（Zhenhai Xia）教授合作，以原位脫滷聚合法製備了N,P,O-三重摻雜多孔碳為水系超級電容器模型電極材料，從本質上闡明了雜原子摻雜碳電極材料能夠突破水分解電壓窗口，實現高比能儲能的新起源。實驗與理論計算表明，雜原子摻雜碳的高比能超級電容除來自已知的雜原子贗電容之外，還有兩個方面的關鍵起源（圖1）：（1）雜原子的摻雜有效降低了碳材料的界面吸附能，且隨著摻雜種類的增加，吸附能降低更為顯著（圖1d），這為溶液中大量的正離子更有效地吸附在活性位點上創造了條件，進而促進碳材料的本徵電容有一定程度的提升（圖1e, 1f）；（2）充電過程預吸附的鉀離子或鈉離子等，能有效抑制碳電極表面的電化學析氫反應，特別是K+的預吸附更是具有更高的抑制氫氣析出效應（圖1g），從而有效突破水的熱力學分解電壓窗口，提高了比電容和比能量。上述結果，將為未來低成本、高比能、高功率、長超級電級電容器的設計、電容的提升及電壓窗口的優化提供重要的理論指導和實驗依據。
圖1. 最優N,P,O-三摻雜碳的微觀結構用於吸附a）氫離子、b）鈉離子、c）鉀離子,其中，綠色、藍色、淡藍色、紅色和白色分別代表碳、氮、磷、氧和氫; d) 不同類型的雜原子摻雜對氫離子、鈉離子、鉀離子的最小化學吸附能的影響；e) 最小鉀離子吸附能所對應的單一位點的特性電容（U=1.0 V, =1.2 eV）；f) 最小鉀離子吸附能所對應的能量密度（U=1.0 V）；g) 吸附鈉、鉀前後的N,P,O-三摻雜碳的析氫三態自由能圖。
（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
相關結果以「Origins of Boosted Charge Storage on Heteroatom-Doped Carbons」為題發表於Angewandte Chemie International Ediction（DOI: 10.1002/anie.202000319）。論文的第一作者是溫州大學碩士生崔翠霞，金輝樂研究員、夏振海教授、王舜教授為共同通訊作者。
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