近日，我院助理教授莫唐明發(fā)展了多孔電極的跨尺度模擬方法，闡明了多孔石墨炔電極超級(jí)電容器的能量?jī)?chǔ)存機(jī)理，預(yù)測(cè)了兼具高能量高功率的新電極材料，為高性能超級(jí)電容器的研發(fā)提供了新理論、新思路與新方案。該成果以《多孔石墨炔超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)存機(jī)理：孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電極金屬性的影響》（Energy Storage Mechanism in Supercapacitors with Porous Graphdiynes: Effects of pore topology and electrode metallicity）為題，發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域頂刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。莫唐明老師是該論文的共同第一作者。
超級(jí)電容器具有充電快、功率高等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車、國(guó)防軍事等領(lǐng)域的儲(chǔ)能中扮演著重要角色。但與電池相比，如何在維持其高功率密度的同時(shí)提升能量密度是當(dāng)前超級(jí)電容器研發(fā)的痛點(diǎn)。常見的多孔電極材料（如活性炭、碳化物衍生碳等）可以增加超級(jí)電容器的能量密度，但其無序的離子通道降低了其功率密度；導(dǎo)電多孔二維材料具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)和有序的離子通道，有助于提高超級(jí)電容器的充電速度和功率密度，但其比表面積值還相對(duì)較低，因此限制了超級(jí)電容器的能量密度；氫取代石墨二炔是一種新型的多孔二維材料，具有比表面積大、物理性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；多孔石墨炔獨(dú)特的sp和sp2的碳雜化軌道使其具有可調(diào)節(jié)的電子結(jié)構(gòu)和孔道結(jié)構(gòu)，為超級(jí)電容器的機(jī)理研究與性能優(yōu)化提供了理想的平臺(tái)，因此在能源儲(chǔ)存領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前研究表明，氫取代石墨二炔具有不同的堆疊方式和不同的金屬性，將會(huì)深刻影響超級(jí)電容器的儲(chǔ)能性能，但對(duì)這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與金屬性所產(chǎn)生的具體影響及其機(jī)理還不清晰，目前需要學(xué)界深入探索。
針對(duì)上述問題，莫唐明老師及其團(tuán)隊(duì)結(jié)合第一性原理、等電勢(shì)分子動(dòng)力學(xué)模擬和傳輸線模型，以多孔石墨炔為例，探究了二維電極材料的堆疊方式和金屬性對(duì)超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)存的影響及其作用機(jī)理。模擬揭示電極孔壁更為粗糙的AB堆疊結(jié)構(gòu)（形成曲里拐彎的納米孔），相對(duì)于AA堆疊結(jié)構(gòu)（形成直筒狀的納米孔），能使孔內(nèi)形成更強(qiáng)的超離子態(tài)，以此增加孔內(nèi)自由離子比例有利于陰陽(yáng)離子對(duì)的解耦與離子傳輸，可實(shí)現(xiàn)在提升電容的同時(shí)降低內(nèi)阻。該成果進(jìn)一步預(yù)測(cè)出氮或硼摻雜能將多孔石墨炔由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體，從而極大地提高電極的量子電容，兼具高能量高功率密度，為高性能超級(jí)電容器的研發(fā)提供了新選擇。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301118
