近日，我校化工學(xué)院李春忠教授、陳龍?zhí)仄秆芯繂T團(tuán)隊(duì)在水系超級電容器領(lǐng)域取得新進(jìn)展，首次構(gòu)建了基于氯氧化還原反應(yīng)的呼吸式超級電容器，大幅提升了水系超級電容器的能量與功率密度。相關(guān)成果以“High Power- and Energy-Density Supercapacitors through the Chlorine Respiration Mechanism”為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. e202215342 (2022)）。

水系超級電容器由于其較高的功率密度以及優(yōu)異的循環(huán)壽命，受到了廣泛的關(guān)注。然而，基于陰陽離子吸/脫附的超級電容器，能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池等其他電化學(xué)儲(chǔ)能器件，這嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。氯具有成本低廉、能量密度高以及氧化還原反應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于電化學(xué)儲(chǔ)能器件應(yīng)用。但是，氣態(tài)氯的儲(chǔ)存難題限制了其發(fā)展。在該研究中，受到一種水生蜥蜴的啟發(fā)，研究人員采用多孔碳來儲(chǔ)存釋放充放電過程中產(chǎn)生的氯氣。

圖片說明：多孔碳作為儲(chǔ)氯電極大幅提升能量密度

研究結(jié)果顯示孔徑是氯氣在多孔碳材料中析出與吸附的關(guān)鍵參數(shù)。DFT計(jì)算結(jié)果表明，在氯離子氧化過程中，氯氣的形成能隨著孔徑的增加而減小，當(dāng)孔徑大于2.03 nm時(shí)幾乎相同。這也與電化學(xué)測試結(jié)果一致。孔徑為3 nm的碳納米管，其氯氣析出與吸附性能遠(yuǎn)優(yōu)于孔徑小于2 nm的活性炭衍生物多孔碳，以及孔徑約為4 nm的有序介孔碳材料（CMK3）。

圖片說明：DFT計(jì)算結(jié)果表明孔徑是多孔碳儲(chǔ)氯性能的關(guān)鍵參數(shù)

以孔徑為3 nm的碳納米管作為儲(chǔ)氯電極，其可以提供 39 mAh/g的比容量，循環(huán)55000次后，仍能保持98%的比容量。以其作為正極，NaTi₂(PO₄)₃為負(fù)極的超級電容器在 257 C的倍率下可以提供33 Wh/kg的能量密度，30000次循環(huán)后，容量幾乎沒有衰減。而且其在50000 W/kg的高功率密度下仍然可以提供16 Wh/kg的能量密度。此外，應(yīng)用金屬鋅作為負(fù)極時(shí)，該氯超級電容器的能量密度可進(jìn)一步提高至53 Wh/kg。這些性能遠(yuǎn)優(yōu)于目前商業(yè)化超級電容器。

圖片說明：氯超級電容器能量密度遠(yuǎn)優(yōu)于目前商業(yè)化超級電容器

該論文第一作者為碩士研究生范曉彤、黃凱博士，通訊作者為化工學(xué)院李春忠教授、陳龍?zhí)仄秆芯繂T、練成特聘研究員以及牛津大學(xué)杲祥文研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、上海高校特聘教授（東方學(xué)者）等經(jīng)費(fèi)支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202215342