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引言

随着新能源需求的日益增长，高效储能设备的开发成为科技界和产业界的关注焦点。超级电容器作为一种新型储能装置，因其高功率密度、长循环寿命和优异的循环稳定性，在电动汽车、航空航天等领域展现出广阔的应用前景。然而，其能量密度相对较低，限制了其进一步应用。电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接影响超级电容器的整体表现。分级纳米多孔碳材料因其高比表面积、多级孔结构和优异的导电性，成为提升超级电容器能量密度的理想候选。本文旨在通过简便、低成本的方法制备分级纳米多孔碳材料，并系统评估其电化学性能，为高性能超级电容器电极材料的开发提供科学依据。文章基于东华大学叶长怀教授团队研究成果及国家自然科学基金项目资助。

超级电容器的发展需求：随着化石能源的消耗加剧，新能源的开发和利用成为全球共识。超级电容器作为一种高效、环保的储能设备，其能量密度的提升成为关键需求。

碳材料的优势与挑战：碳材料因其高导电性、丰富的资源来源和优异的化学稳定性，在电化学储能领域得到广泛应用。然而，传统碳材料的比表面积和孔径分布有限，难以满足超级电容器对高能量密度的需求。

分级多孔碳的潜力：分级多孔碳材料结合了微孔、介孔和大孔的优势，能够显著提高电极材料的比表面积和离子传输效率，从而提升超级电容器的能量密度和功率密度。

（1）前驱体选择与处理工艺

本文创新性地采用热塑性弹性体聚苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SEBS）作为前驱体，通过湿法纺丝、热退火、磺化交联及碳酸钾活化碳化等步骤，实现了分级多孔碳材料的简便、低成本制备。

（2）活化碳化法的优化

通过控制磺化SEBS与碳酸钾的质量比，实现了对分级多孔碳材料孔径分布和比表面积的精确调控。碳酸钾的引入不仅促进了微孔的形成，还通过刻蚀作用形成了介孔和大孔，显著提高了材料的比表面积。

（3）电化学性能的显著提升

实验结果表明，优化后的分级多孔碳材料在4 A/g电流密度下比电容高达430.8 F/g，较活化前材料提升了超过5倍。基于该材料组装的对称超级电容器展现出优异的综合性能，包括高能量密度（5.09 Wh/kg）和高功率密度（250 W/kg），以及卓越的循环稳定性（600次循环后电容保持率近100%）。

图1 AOMCF的制备流程

Fig.1 The preparation process of AOMCF

图3 （a）、（b）OMCF的表面形貌图与高倍放大图；（c）AOMCF1；（d）AOMCF2；（e）AOMCF3表面形貌图；（f）AOMCF3表面元素分布图（f1）C，（f2）S；（g）、（h）AOMCF3的透射形貌与高倍形貌

Fig.3 (a),(b) Surface morphology and high-magnification images of OMCF; surface morphologies of (c) AOMCF1, (d) AOMCF2 and (e) AOMCF3; (f) surface elemental distribution maps of AOMCF3:(f1) C,(f2)S; (g),(h) transmission morphology and high-magnification morphology of AOMCF3

图4 不同活化度AOMCF的（a）比表面积图与其相对应的孔径分布图（b）

Fig.4 (a) Specific surface area and (b) corresponding pore size distribution of AOMCF with different activation degrees

图6 AOMCF的XPS总谱图（a），C 1s 谱图（b）与S 2p谱图（c）

Fig.6 (a)Total XPS spectra,(b)C 1s spectra and (c)S 2p spectra of AOMCF

图7 OMCF电化学测试图：（a）CV；（b）GCD；（c）EIS；（d）比电容

Fig.7 Electrochemical character of OMCF: (a) CV; (b) GCD; (c) EIS; (d) specific capacitance

图9 AOMCF电化学性能图：（a）EIS测试；（b）不同电流密度下比电容

Fig.9 Electrochemical performance of AOMCF: (a) EIS test; (b) specific capacitance at different current densities

图11 AOMCF3对称超级电容器电化学性能：（a）不同电流密度下比电容；（b）不同电流密度下Ragone图以；（c）电容保持率

Fig.11 Electrochemical performance of AOMCF3 symmetric supercapacitors: (a) specific capacitance at different current densities;(b) Ragone diagram；(c) capacitance retention at different current densities

（1）成功制备分级多孔碳材料：以SEBS为前驱体，通过湿法纺丝结合热退火、磺化及碳酸钾辅助活化碳化法，成功制备了具有分级多孔结构的碳材料AOMCF。该材料兼具微孔、介孔和大孔，比表面积高达1 844.5 m²/g。

（2）电化学性能显著提升：分级多孔结构的引入显著提高了材料的电化学性能。优化后的AOMCF3材料在4 A/g电流密度下比电容达到430.8 F/g，较活化前材料提升了超过5倍。

（3）对称超级电容器性能优异：基于AOMCF3组装的对称超级电容器在1 A/g电流密度下保持146.8 F/g的容量特性，对应能量密度为5.09 Wh/kg（功率密度250 W/kg）。器件在2 A/g电流密度下经历600次充放电循环后仍保持近100%的电容保持率，显示出卓越的循环稳定性。

（4）方法简便、成本低廉：本研究提出的制备方法步骤简便、成本低廉，且所制得材料展现出优异的电化学性能，在超级电容器电极材料的开发中具有显著优势和应用前景。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第11期，欢迎引用本文：    

李阳,周庆亚,叶长怀.分级纳米多孔碳材料的制备及电化学性能研究[J].功能材料,2025,56(11):11144-11152.

LI Y,ZHOU Q Y,YE C H.Fabrication and electrochemical properties of hierarchical nanoporous carbon materials[J].Journal of functional materials,2025,56(11):11144-11152.