摘要：在电化学储能领域，多孔碳材料因其优异的导电性、高比表面积和可调控的孔隙结构而成为研究热点。从生物质废弃物到工业副产品，科学家们通过各种技术手段将这些碳源转化为性能迥异的多孔碳材料。

在电化学储能领域，多孔碳材料因其优异的导电性、高比表面积和可调控的孔隙结构而成为研究热点。从生物质废弃物到工业副产品，科学家们通过各种技术手段将这些碳源转化为性能迥异的多孔碳材料。

这些材料的电化学性能在很大程度上取决于其关键参数：比表面积、孔隙结构、表面化学和导电性。本文将深入解析这些参数如何影响多孔碳的电化学性能，以及研究者们如何通过精准调控这些参数来优化材料性能。

多孔碳的孔隙结构：离子穿梭的立体迷宫

多孔碳的孔隙结构堪称离子传输的微观高速公路系统。根据国际纯粹与应用化学联合会的分类，多孔碳的孔隙可分为微孔（50 nm）三类。这些不同尺寸的孔隙在电化学性能中扮演着不同角色。

赵涵等研究者通过酶解技术调控木质碳的分级多孔结构，发现纤维素酶用量和酶解时间显著影响孔隙结构。当纤维素酶用量200 mg、酶解时间48 h时，制备的椴木基多孔碳比表面积达到978.925 m²/g，平均孔径为2.285 nm。这种适中的孔径分布为离子传输提供了理想通道。

更为深入的研究发现，5 nm以下的介微孔孔径分布类型是影响多孔碳电化学性能的首要因素。根据煤疏中质组制备的活性泡沫炭研究，5 nm以下介微孔呈现三种分布特征：峦型、峰型和弥散型。

具有峦型孔分布的样品表现出更高的比表面积和比电容，一般在2000 m²/g和180 F/g以上；而峰型和弥散型孔分布的样品性能则明显逊色。

机理分析表明，不同孔分布带来的电解质传输阻力差异显著。峰型分布下的嵌套孔在节点处突然变径会产生较大传输阻力，而峦型分布下的嵌套孔在节点处过渡平缓，电解质传输阻力较小，使离子能够进入更深的内部孔。

另一项研究采用乙酸钴为模板，柠檬酸为碳源，成功制备出具有典型中孔-微孔分级结构的多孔碳，其微孔集中在0.8 nm，中孔集中在4 nm，比表面积达753-890 m²/g。这种双峰分布结构使得材料在0.2 A/g电流密度下比电容达到144 F/g，且在电流密度增大至5 A/g时，电容保持率为71%。

比表面积：电化学反应的竞技场

比表面积是多孔碳材料最重要的参数之一，它为电荷积累提供了必要的空间。一般来说，较高的比表面积意味着更多的活性位点，有利于电荷的吸附与存储。

水稻秸秆多孔生物炭的研究显示，随着活化温度从500℃升高到900℃，材料比表面积显著增加。800℃下制备的多孔生物炭比表面积高达1002.20 m²/g，总孔体积为0.79 cm³/g，中孔体积率为45.57%。这种优化的孔结构使得该材料在1 A/g电流密度下的比电容达到312.81 F/g。

假槟榔花基多孔炭材料则展现出更高的比表面积——1223.32 m²/g。这种纳米片层结构为电荷储存提供了广阔空间，在三电极体系中，以1 mol/L H₂SO₄和6 mol/L KOH为电解液，电流密度为0.5 A/g时，其放电比电容分别为145 F/g和105 F/g。

值得注意的是，比表面积与电化学性能并非简单的线性关系。只有当孔隙结构适宜离子传输时，高比表面积才能充分发挥作用。研究表明，对于峰型孔分布的多孔碳，其比电容量与比表面积关系呈区域水平特征，此时比表面积不是比电容量的控制因素。

而峦型分布的多孔碳则表现出不同的行为——比电容量随比表面积升高而线性增加，表明此时比表面积成为性能的主要决定因素。

煤沥青基三维多孔炭的研究进一步印证了这一规律。通过添加造孔剂萘，并经过氧化稳定化和炭化处理，所得多孔炭比表面积达到1638 m²/g，在1 A/g电流密度下比电容为252 F/g。而未添加造孔剂的空白样品性能则大幅降低。

表面化学：离子吸附的微观握手

多孔碳的表面化学性质犹如离子吸附的“握手界面”，决定了材料与电解质离子之间的相互作用强度。表面官能团和杂原子掺杂是调控表面化学的主要手段。

水稻秸秆多孔生物炭的研究发现，材料表面含有的-OH、C-O-C等含氧基团以及吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等含氮基团，显著提高了其在电解质中的润湿性，降低了离子转移电阻。这些亲水性官能团好比材料的“欢迎手势”，使电解质离子更容易进入孔隙内部。

氮掺杂是改性多孔碳表面化学的有效策略。一项研究利用溶剂挥发结合高温热聚合法制备了氮掺杂多孔碳，当材料氮含量达到4.2%（原子分数）时，比表面积由未掺杂样品的301.1 m²/g提高至422.0 m²/g。

更重要的是，氮掺杂使材料在0.5 A/g电流密度下的比电容从83.8 F/g大幅提升至162.8 F/g，内阻从1.39 Ω降低至0.47 Ω。

江苏大学的研究团队以固废乙二胺四乙酸镁配合物为碳源兼氮源，制备的氮掺杂纳米多孔炭氮含量高达9.48%，比表面积为766.8 m²/g，总孔容为1.16 cm³/g。这一材料在1 A/g电流密度下的质量比电容达到367.5 F/g，显示出杂原子掺杂的显著效果。

表面化学的调控不仅影响比电容，还关系到材料的循环稳定性。煤焦油基多孔碳的研究表明，当溶剂热温度为240℃时，获得的类石墨化碳材料表面具有丰富的含氧基团，这种特殊结构使材料在0.3 A/g电流密度下比电容达275 F/g，且以5 A/g电流密度循环2000次后，电容保持率高达98%。

导电性与结构有序度：电子传输的高速公路

多孔碳的导电性能好比电荷的“高速公路系统”，决定了电子在材料内部的传输效率。而导电性与碳材料的石墨化程度和结构有序度密切相关。

酶解木质基分级多孔碳的研究发现，随着纤维素酶用量和酶解时间的增加，多孔碳的无序度提高。虽然适当的无序度可以增加活性位点，但过度无序会损害导电性。因此需要在无序度和导电性之间寻求平衡。

采用快速升降温工艺制备的双峰分级多孔炭研究表明，随着处理温度的提高，所得材料的电容和倍率性能均不断改善。700℃处理所得多孔炭在0.2 A/g电流密度下比电容达到144 F/g，且在电流密度升至5 A/g时仍保持71%的电容。

这种现象归因于高温处理提高了材料的石墨化程度，从而增强了导电性。

降解木基多孔炭材料的研究也证实了结构有序度的重要性。以蘑菇培养基废料降解木为碳源制备的三维多孔炭材料具有大量的石墨微晶结构，这些微晶结构为离子传输和电荷积累提供了良好通道，使材料在电流密度1 A/g时的比电容达到221 F/g，且循环5000次后库仑效率不低于99.5%。

煤沥青基三维多孔炭的研究则展示了如何通过工艺优化平衡结构有序度与孔隙发育。通过添加造孔剂并进行空气氧化稳定化处理，在保持一定导电性的同时实现了高比表面积，最终使材料兼具高比电容（252 F/g）和优异循环稳定性（10000次循环后保持97.3%容量）。

多孔碳性能优化的策略与案例

综合多项研究，多孔碳性能优化策略主要围绕孔隙结构调控、表面化学改性和导电性优化三个方面展开。

在孔隙结构调控方面，分级多孔结构的构建被认为是最有效的途径。例如，酶解木质基多孔碳通过控制纤维素酶用量和酶解时间，成功引入了丰富的微孔/介孔分级结构，使材料在0.1 A/g电流密度下质量比电容达到300.8 F/g，等效串联电阻仅为0.47 Ω。

表面化学改性主要通过杂原子掺杂实现。如前所述的氮掺杂多孔碳研究显示，适量氮掺杂（4.2 at%）可使材料比电容提高近一倍。而采用乙二胺四乙酸镁为前驱体，更可实现高达9.48%的氮含量，使材料比电容达到367.5 F/g。

导电性优化则主要通过热处理温度调控和石墨化度提升来实现。水稻秸秆多孔生物炭的研究表明，800℃下制备的样品碳含量最高（74.09%），碳的无序度和缺陷程度适中，因此表现出最佳电化学性能。

值得注意的是，原料选择也对多孔碳性能有重要影响。不同原料需要采用不同的优化策略：

表：不同原料制备的多孔碳及其最佳性能参数

从表中可以看出，无论是生物质原料还是工业副产品，通过适当的制备工艺均可获得具有优异电化学性能的多孔碳材料。其中，聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料制备的多孔碳在1 A/g电流密度下比电容高达402.2 F/g，展现了废弃高分子材料资源化利用的潜力。

随着储能技术需求的不断增长，多孔碳材料的设计理念也在持续演进。未来的研究将更加注重多参数协同优化，而非单一指标的提升。学者们开始采用机器学习等先进手段，加速多孔碳材料的性能预测与设计优化。

孔隙结构、表面化学和导电性这三个关键参数如同多孔碳电化学性能的“三驾马车”，只有它们协同并进，才能驱动多孔碳材料在储能领域发挥更大潜力。

来源：硅碳微视界