论文标题：Dual ion relay storage mechanism in hierarchical porous carbon electrode for aqueous zinc-ion hybrid capacitors

期刊：ENGINEERING Chemical Engineering

作者：Bin Yan, Zhe Zhang, Ruotong Li, Juan Yang 

发表时间：25 May 2026

DOI：10.1007/s11705-026-2681-3

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文章信息

文章题目

Dual ion relay storage mechanism in hierarchical porous carbon electrode for aqueous zinc-ion hybrid capacitors

文章来源

Bin Yan, Zhe Zhang, Ruotong Li, Juan Yang. Dual ion relay storage mechanism in hierarchical porous carbon electrode for aqueous zinc-ion hybrid capacitors. ENG. Chem. Eng., 2026, 20 (8) : 64

DOI:10.1007/s11705-026-2681-3

文章导读

水系锌离子混合电容器（ZIHC）是一类极具发展潜力的可持续储能器件，但碳正极电容特性与锌负极容量及动力学不匹配的问题严重制约其比容量和循环稳定性。西安交通大学杨卷团队在ENG. Chem. Eng.发表论文，以煤化工固体副产物—焦油沥青为碳源，采用空间限域耦合活化协同策略，制备出分级多孔碳纳米片（CMK-x，x代表热解温度）。分析结果表明，最优样品CMK-700比表面积高达2223.9 m²?g⁻¹，超微孔（＜1 nm）孔容达到最大值0.4836 cm³?g⁻¹。结合非原位表征与分子动力学模拟，本文揭示了一种基于不同孔道空间分离策略实现独特双离子接力储能机制：电压区间0.3~1.9 V时，大尺寸水合锌离子[Zn(H₂O)₆]²⁺储存在较大微孔（＞1 nm）内；电压低于0.3 V时，尺寸更小的水合质子[H₃O]+作为电荷接力载体渗入超微孔，质子通过可逆化学吸/脱附产生大量赝电容贡献。组装得到的ZIHC在0.5 A?g⁻¹电流密度下实现368.1 mAh?g⁻¹超高比容量，且在21000次长循环后容量保持率仍达86.39%。本研究证明精准匹配孔径与离子尺寸、引入质子协同储能是提升水系锌离子混合电容器能量密度的有效策略。

文章亮点

低成本煤沥青基于空间限域-活化协同制备多孔碳的新策略

现有多孔碳制备多采用高价前驱体，单一活化难以同步调控比表面积、超微孔与含氧基团。本文以廉价煤沥青为碳源，结合金属氧化物空间限域与KOH 一体化活化，构筑了互联超薄分级碳纳米片。最优CMK-700比表面积2223.9 m²?g⁻¹，超微孔孔容0.4836 cm³?g^-1，氧含量10.15 at%，可以平衡电解液浸润性与骨架完整性，规避高低温制备缺陷，同时，原料廉价使工艺更适配规模化生产。

提出空间分离“质子-锌离子”双离子接力储能新机理

传统碳电极中＜1 nm 超微孔因锌离子尺寸限制无法利用。本文创新性的提出孔分离的“质子-锌离子双离子”接力储能机理：0.3~1.9 V 较大微孔存储水合锌离子，0~0.3 V 质子作为电荷载体渗入超微孔，通过可逆氢吸/脱附产生额外赝电容。质子缓解锌离子脱溶阻力，从孔径-离子匹配角度阐明容量提升本质，丰富了多孔碳超微孔储能机理研究，完善了ZIHC储能理论。

多手段耦合完整验证双离子接力储能的微观机理

传统储能机理仅依靠电化学曲线定性分析，缺乏微观佐证。本文构建了（准）原位SEM、分子动力学模拟、多动力学定量表征等系列验证体系：分段电镜观测锌盐可逆沉淀，模拟直观区分两类离子孔道传输差异，借助b值、阻抗、沃堡系数量化双离子容量占比，实现机理从定性推测到多尺度定量验证，为同类储能机理研究提供了完整的表征范式。

兼顾高容量、高倍率、超长循环的电化学性能突破

传统沥青基碳正极容量和循环稳定性较差。得益于分级孔道与双离子协同增效，CMK-700综合性能大幅提升：0.5 A?g^-1下比容量368.1 mAh?g^-1，20 A?g^-1高倍率仍保有133.7 mAh?g^-1，10 A?g^-1循环21000圈容量保持率86.39%，优于多数同类碳材料，解决了碳电极长循环孔道坍塌、离子不可逆吸附难题，为水系锌电容提供了高性能正极备选。

亮图展示

图1 分级多孔碳微观结构与孔道特性综合表征图，包括机理示意图、SEM/TEM微观形貌、氮气吸附孔径分布图。

图3 材料电化学性能核心论证图，涵盖器件结构、CV、恒流充放电、倍率、长循环及文献对比子图。

图5 储能机理多尺度验证总图，主要分为分段充放电电位、非原位SEM、分子动力学模拟、完整储能循环原理图。

作者简介

第一作者：闫斌，西安交通大学硕士研究生，研究方向为煤/沥青基多孔碳材料的设计和构筑，及其锌离子储能机制研究。

通讯作者: 杨卷，西安交通大学副教授，博士生导师。主要从事碳氢资源高附加值利用、功能碳材料开发及其电化学工程技术领域的应用基础研究。目前承担完成或正在实施各类研究课题20余项，包括国家自然科学基金项目、国家重点研发项目子课题、陕煤联合基金项目课题以及企业横向课题等。在本学科领域国际知名学术刊物发表论文80余篇，包括Nat. Mater.、Angew. Chem. Ind. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. Sci.等，其中7篇被选为封面/插图文章、5篇入选ESI高引论文，发表论文引用13000余次等。

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