综述！碳基纳米材料用于超级电容器的最新进展与展望

1成果简介

碳点（CD）除了具有优异的稳定性、大比表面积和导电性之外，还表现出独特的量子约束效应和边缘特性。碳点的一个研究方向是以低成本和高量子产率制备这些材料。具体来说，CD包括 CQD、GQD、CND 和 CPD。提高材料性能的另一个方向是将各种碳点与不同的材料相结合，如多孔碳、三维石墨烯、碳纳米纤维（CNT）织物和 CNT 网络。各种类型的碳点与三维纳米结构的结合会产生不同的特性。

本综述，云南师范大学Zhiwei Dong、Qihang Zhou在《Nanoscale》期刊发表名为“Carbon-based nanostructured materials incorporating carbon dots for supercapacitors: a review”的综述，旨在总结结合碳点的三维碳基纳米结构材料在 SC 应用方面的最新进展，同时以表格形式记录其电化学特性。最后，还讨论了有关电极材料的主要挑战和未来展望，以切实推动高性能超级电容器（SC）的发展。

2图文导读

图1、 各种 CDs的形态和碳成核的差异。

图3、 各种碳点 （CD） 与不同结构及其性能关系的应用。

图3、 (a) Schematic illustration of the sample preparation procedures. (b) Schematic illustration of the pseudocapacitive energy storage of Edge-CNF. (c) CV curves at 100 mV s−1 with different mass loadings. Reproduced with permission from ref. 104, Copyright 2022, Elsevier.

3小结

本综述全面总结了采用 CD 作为 SC 电极的碳基纳米结构材料的最新进展，主要侧重于与多孔碳、三维石墨烯、CNF 纤维和 CNT 网络集成的各种类型的 CD。理解基于 CD 的材料的电化学特性、形态和结构之间的关系对于阐明其电化学行为和储能机制至关重要。根据所回顾的研究，碳基材料被用作框架，而 CD 则作为活性添加剂，系统地提高了寿命和存储容量。三维碳材料作为稳定的基底，可以牢固地附着在 CD 上，其分层导电通道提供了出色的电荷转移动力学。同时，对碳点的修饰可进一步提高基底的性能。

CD 与碳材料之间的协同效应主要体现在几个关键方面：首先，CD 的富sp2 结构有利于复合界面的电荷转移，提高了材料的导电性。其次，CD 的缺陷作为活性位点，不仅能调节原始碳网络的电子结构，还能增强导电性。最后，掺杂碳点中丰富的杂原子和官能团提供了假电容和更好的亲水性。同时，不同结构的碳点的协同效应会导致不同的侧重变化：碳点与多孔碳的结合可增强存储能力，应用于三维石墨烯可建立稳定的缓冲结构，而在 CNT 网络和 CNT 织物上的复合则可显著增加有效比表面积。

含有 CD 的碳基材料在电化学储能方面具有巨大潜力。可以预见，在不久的将来，利用 CD 的三维碳基材料研究将取得更多令人振奋的成果。然而，CD 在 SC 中的应用仍处于起步阶段，并面临两个主要挑战：

(1) 缺乏对 CD/碳成分的系统机理研究，对这些复合材料的相互作用和反应机理仍不完全了解。在这种情况下，迫切需要对新材料体系进行原位表征和理论建模，以便在材料设计阶段提供强有力的理论支持。

(2) 大规模合成路线的开发是实际应用的前提。工业化生产所需的生产规程需要在尺寸、结晶度和缺陷方面具有可控性，并实现大量生产的可重复性。目前已报道了许多合成光盘的策略，但这些方法仍有局限性。因此，有必要探索简单、高纯度和高效率的 CD 合成路线。

(3) 不同的材料体系仍然面临着不同的挑战。具体来说，实现 GDs 的简单、高效和低成本合成，提高 CNFs 和 CNTs 的比表面积，防止石墨烯的团聚，以及在多孔碳中可控地形成稳定高效的孔结构，仍然是关键问题。总之，获得结构稳定的碳点和碳复合材料对于最大限度地发挥这些材料的协同效应至关重要。

文献:

• DOI
• https://doi.org/10.1039/D4NR05096G

来源：材料分析与应用