4月29日，《先进材料》（Advanced Materials）在线刊发了能源学院冯光教授团队关于多孔石墨炔超级电容器的最新研究成果。论文题目为《多孔石墨炔超级电容器能量储存机理：孔拓扑结构与电极金属性的影响》（Energy Storage Mechanism in Supercapacitors with Porous Graphdiynes: Effects of pore topology and electrode metallicity）；能源学院莫唐明（17级博士生、现为广西大学助理教授）和王祯祥（20级博士生）为共同第一作者，冯光教授为通讯作者。
超级电容器具有充电快、功率高等优点，在储能领域扮演着重要角色。但超级电容器能量密度无法与电池媲美，维持其高功率密度的同时提升能量密度是研发的核心难题。常见的多孔电极材料（如活性炭、碳化物衍生碳等）可以增加超级电容器的能量密度，但是由于无序的离子通道，降低了超级电容器的功率密度。导电多孔二维材料具有周期性的晶体结构和有序的离子通道，因此有助于提高超级电容器的充电速度和功率密度。但是现有的导电多孔二维材料（如导电金属有机骨架材料）的比表面积值还相对较低，因此限制了超级电容器的能量密度。氢取代石墨二炔（HsGDY）是一种新型的多孔二维材料，因具有比表面积大、物理性质稳定等优点，在能源储存领域具有广阔的应用前景。多孔石墨炔独特的sp和sp2的碳杂化轨道，使其具有可调节的电子结构和孔道结构，为超级电容器的机理研究与性能优化提供了理想的平台。目前研究表明HsGDY具有不同的堆叠方式和不同的金属性，将会深刻影响超级电容器的储能性能；然而，这些拓扑结构与金属性产生的具体影响及其机理尚不清晰。
针对上述问题，团队结合第一性原理、等电势分子动力学模拟和传输线模型，以多孔石墨炔为例，探究了二维电极材料的堆叠方式和金属性对超级电容器能量储存的影响及其作用机理。模拟揭示电极孔壁更为粗糙的AB堆叠结构（形成曲里拐弯的纳米孔），相对于AA堆叠结构（形成直筒状的纳米孔），能使孔内形成更强的超离子态，以此增加了孔内自由离子比例、有利于阴阳离子对的解耦与离子传输，从而在提升电容的同时，降低了内阻。进一步预测出氮或硼掺杂能将多孔石墨炔由半导体转化为导体，极大地提高电极的量子电容，使其兼具高能量高功率密度，为高性能超级电容器的研发提供了新的选择。
该工作发展了多孔电极模拟的跨尺度模型，不但适用于二维多孔石墨炔HsGDY电极，也可用于如MOF、COF等多孔材料的模拟研究；通过计算模拟预测的结果可以指导实验合成相应的电极材料，提高超级电容器的研发效率。该工作为超级电容器的设计、优化以及材料筛选提供了新思路与新方案。
该工作得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和华中科技大学学术前沿青年团队的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301118
