侯璐，胡友仁，李文翠，董曉玲，陸安慧

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

由于化石能源大量消耗帶來(lái)的能源環(huán)境問(wèn)題，發(fā)展與普及可再生能源已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。絕大多數(shù)的可再生能源以電能的形式進(jìn)行儲(chǔ)存和供給，使得開(kāi)發(fā)具有高功率密度、高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的先進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能體系成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需求。電極材料是電化學(xué)儲(chǔ)能體系的核心組成部分，因此開(kāi)發(fā)高性能電極材料是提升器件性能的重要突破口。多孔炭材料[1-2]由于具有高比表面積、高電導(dǎo)率、良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)而成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，豐富的形貌結(jié)構(gòu)和多樣化的元素?fù)诫s更使得其在儲(chǔ)能電極材料領(lǐng)域具有極高的研究?jī)r(jià)值。

基于離子吸脫附的雙電層儲(chǔ)能機(jī)制使得多孔炭材料具有快速的動(dòng)力學(xué)特性和良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，契合了電化學(xué)儲(chǔ)能體系中高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的需求，但多孔炭材料的低能量密度也使得其在普遍追求高比能儲(chǔ)能體系的當(dāng)今社會(huì)難以大規(guī)模應(yīng)用。在提升多孔炭材料的能量密度方面，研究人員做了諸多嘗試，如提升比表面積[3]、擴(kuò)大層間距[4]、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)[5]、改善電導(dǎo)率[6]等，旨在提升材料的可接觸比表面積，加快離子/電子傳輸，提升多孔炭材料的雙電層電容容量。在對(duì)雙電層電容進(jìn)行深入理解、研究?jī)?yōu)化的同時(shí)，通過(guò)N、O等[7-8]元素的摻雜引入額外氧化還原贗電容也成為一種提升能量密度的備受青睞的策略。

長(zhǎng)期以來(lái)，含氧官能團(tuán)一直被認(rèn)為是電極材料中的不穩(wěn)定因素。在有機(jī)電解質(zhì)體系中，部分不穩(wěn)定含氧官能團(tuán)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)不可逆，不僅導(dǎo)致該基團(tuán)貢獻(xiàn)的容量迅速衰減，其副產(chǎn)物更會(huì)堵塞材料的孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電極材料整體循環(huán)穩(wěn)定性大幅降低[9]。然而隨著對(duì)含氧官能團(tuán)在儲(chǔ)能過(guò)程作用機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，特定含氧官能團(tuán)與電解質(zhì)離子發(fā)生的可逆氧化還原反應(yīng)帶來(lái)的高額贗電容也逐漸引發(fā)研究者的關(guān)注，氧摻雜也逐漸成為多孔炭材料性能提升的有效手段。以活性單元羰基（C==O）[10]為例，其與電解質(zhì)離子發(fā)生的烯醇化反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)957mA·h/g的理論比容量。引入這些具有氧化還原活性的含氧官能團(tuán)可顯著提升富氧多孔炭的容量，從而滿(mǎn)足高比能超級(jí)電容器乃至二次電池的能量密度需求。然而含氧官能團(tuán)的引入通常伴隨著炭材料導(dǎo)電性能下降，研究者往往要面對(duì)高容量與高導(dǎo)電之間的兩難抉擇。因此優(yōu)化氧含量從而平衡炭電極材料能量與功率密度一度成為富氧多孔炭電極材料領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容。如何跳出兩者的相互制約，通過(guò)先進(jìn)的材料結(jié)構(gòu)組分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高氧含量下保持良好的倍率性能，是當(dāng)前富氧多孔炭電極材料研究中面臨的重要挑戰(zhàn)。

結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的最新進(jìn)展，本文著重總結(jié)了富氧多孔炭的物理化學(xué)特性和表征手段，介紹了近年來(lái)諸多先進(jìn)富氧多孔炭?jī)?chǔ)能電極材料的制備方法與性能，重點(diǎn)討論了含氧官能團(tuán)在儲(chǔ)能過(guò)程中的作用機(jī)理，為富氧多孔炭設(shè)計(jì)合成及優(yōu)化提供借鑒，并對(duì)富氧多孔炭?jī)?chǔ)能電極材料今后的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

1 富氧多孔炭的性質(zhì)與表征

1.1 含氧官能團(tuán)的種類(lèi)及分布

如圖1所示，富氧多孔炭材料含有多種含氧官能團(tuán)，包括C—O基團(tuán)（如環(huán)氧基、羥基等）和C==O基團(tuán)（羰基、脂基、羧基、醌基等）[11]。不同種類(lèi)的含氧官能團(tuán)在炭材料石墨片層中的分布存在差異，羧基、羰基等雙鍵基團(tuán)往往存在于石墨片層的邊緣位置，而羥基和環(huán)氧基則廣泛分布于整個(gè)石墨片層。相對(duì)于碳氧單鍵基團(tuán)，羧基、羰基等雙鍵基團(tuán)的形成會(huì)破壞石墨六元環(huán)的大范圍共軛結(jié)構(gòu)，需要更高的反應(yīng)能量，因此更傾向于在具有較強(qiáng)反應(yīng)活性的石墨片層邊緣位置形成。此外，空間位阻效應(yīng)也是影響含氧官能團(tuán)分布位置的重要因素，即使在石墨片層內(nèi)部引入羰基、羧基等空間位阻大的基團(tuán)，它們也難以穩(wěn)定存在，而是傾向于轉(zhuǎn)化成羥基等空間位阻更小的基團(tuán)。這些種類(lèi)分布不同的含氧官能團(tuán)會(huì)顯著影響多孔炭的物理化學(xué)性質(zhì)。

圖1 富氧多孔炭常見(jiàn)含氧官能團(tuán)種類(lèi)[11]

1.2 富氧多孔炭的性質(zhì)

1.2.1 石墨化度及導(dǎo)電性能

在炭材料的石墨片層中，碳原子以sp2方式與周?chē)齻€(gè)碳原子相互連接形成蜂窩狀六元環(huán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)一個(gè)p軌道電子形成一個(gè)大的π鍵共軛體系。這種大范圍的電子共軛結(jié)構(gòu)提供了快速的電子傳輸通道，賦予炭材料優(yōu)良的導(dǎo)電性能。在該共軛體系中引入氧原子毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)改變碳原子的雜化方式，破壞石墨片層的π鍵共軛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致炭材料的石墨化度與導(dǎo)電性能降低[12]。此外，以氧化方法引入含氧官能團(tuán)的過(guò)程往往伴隨著對(duì)碳原子的刻蝕，從而留下缺陷位甚至大面積的孔洞結(jié)構(gòu)，這同樣會(huì)降低炭材料的石墨化度和導(dǎo)電性能。由于這些缺陷和孔洞結(jié)構(gòu)的存在，即使通過(guò)還原手段去除含氧官能團(tuán)，炭材料的石墨化度和導(dǎo)電性能也難以恢復(fù)。

1.2.2 表面活性與極性

理想的石墨片層結(jié)構(gòu)僅含有碳元素，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)活性較低。此外，炭材料的非極性使得其在極性溶液中均難以充分浸潤(rùn)[13]。而在富氧多孔炭中，大量具有高極性的表面含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基以及豐富的缺陷位被引入到炭材料石墨片層中，由于相似相溶原理，其在極性溶液中的浸潤(rùn)性得到極大改善。同時(shí)含氧官能團(tuán)在多數(shù)反應(yīng)中具有較高的活性，含氧官能團(tuán)的引入使得炭材料表面活性位數(shù)量大幅增加，從而拓寬了炭基材料在儲(chǔ)能、吸附、催化等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2.3 酸堿性

根據(jù)路易斯酸堿理論，炭材料本身的π鍵共軛體系可以與電子結(jié)合，是一種路易斯堿。而富氧多孔炭材料中所含的含氧官能團(tuán)可大致分為以下幾類(lèi)：羰基在水分散液中可以與H+進(jìn)行結(jié)合，為堿性基團(tuán)；羥基、羧基等含氧官能團(tuán)可以在水分散液中電離出H+，為酸性基團(tuán)；而環(huán)氧類(lèi)基團(tuán)被認(rèn)為是中性基團(tuán)。值得注意的是，酸酐、脂基等基團(tuán)在水分散液中會(huì)通過(guò)水解反應(yīng)生成羧基和羥基，故一般也被認(rèn)為是酸性基團(tuán)。富氧多孔炭的水分散液通常為酸性的，其酸性的表面性質(zhì)主要由具有較強(qiáng)電離作用的羧基、酸酐、內(nèi)酯和羥基引起，以具有豐富表面含氧官能團(tuán)的氧化石墨烯為例，其水分散液的pH約為3[14]。同時(shí)，酸性含氧官能團(tuán)的電離作用會(huì)引起富氧多孔炭表面負(fù)電荷的積累，電荷之間的排斥作用使得其在水中的分散性顯著增強(qiáng)[15]。

1.2.4 熱穩(wěn)定性

富氧多孔炭中的含氧官能團(tuán)會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，并且不同含氧官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性具有較大差異。文獻(xiàn)中各種含氧官能團(tuán)的分解溫度如圖2所示，基團(tuán)分解溫度隨化學(xué)環(huán)境改變而存在差異，同時(shí)也會(huì)受到炭材料種類(lèi)與測(cè)試條件的影響，但基本可以劃分特定的分解溫度區(qū)間。一般而言，羧基的熱穩(wěn)定性相對(duì)較低，其在250℃的較低溫度下即可發(fā)生大量分解；繼續(xù)升溫至600℃時(shí)，內(nèi)酯和酸酐開(kāi)始發(fā)生分解；進(jìn)一步升溫至700～800℃時(shí)，酚類(lèi)、醚類(lèi)和醌基等穩(wěn)定含氧官能團(tuán)開(kāi)始發(fā)生分解[16]。因此可以利用不同含氧官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性差異選擇性除去部分含氧官能團(tuán)，對(duì)含氧官能團(tuán)的種類(lèi)和含量進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 炭表面官能團(tuán)的熱分解產(chǎn)物及相應(yīng)的解吸溫度[16]

1.3 含氧官能團(tuán)的表征

對(duì)炭材料表面的含氧官能團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)定，是關(guān)聯(lián)富氧多孔炭的組分與性能并進(jìn)一步探索機(jī)理和優(yōu)化性能的前提條件。光譜學(xué)表征是測(cè)定富氧多孔炭含氧官能團(tuán)的主要方法。此外，基于富氧多孔炭中含氧官能團(tuán)的上述物理化學(xué)性質(zhì)，常見(jiàn)的測(cè)試手段還包括程序升溫脫附（TPD）和化學(xué)滴定法等。

1.3.1 光譜學(xué)表征

光譜學(xué)表征的分析手段主要包括傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）。

FTIR是一種基于化學(xué)鍵或官能團(tuán)對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的選擇性吸收的表征手段[17]。由于檢測(cè)成本低、分析速度快，F(xiàn)TIR常用于富氧多孔炭的初步表征。在不同含氧官能團(tuán)吸收峰的分配中，一般將1000～1300cm-1處的吸收峰分配給C—O鍵，將1650～1750cm-1處的吸收峰分配給不同化學(xué)環(huán)境下的C==O鍵，如羰基、羧基及內(nèi)酯等。由于黑色的炭材料對(duì)于紅外光的高吸收，F(xiàn)TIR用于富氧多孔炭表征時(shí)信號(hào)較弱，并且對(duì)結(jié)構(gòu)相近的基團(tuán)不易區(qū)分，因此難以實(shí)現(xiàn)含氧官能團(tuán)的精確定量分析。

XPS表征中，原子內(nèi)層電子受X射線(xiàn)輻射被激發(fā)，其電子結(jié)合能取決于原子種類(lèi)，因此可根據(jù)電子結(jié)合能的相對(duì)強(qiáng)度精確測(cè)定元素的相對(duì)含量。受制于光電子的激發(fā)深度（＜10nm），XPS主要用于材料表面組分的測(cè)定。此外，電子結(jié)合能也會(huì)受到電荷屏蔽的影響而產(chǎn)生化學(xué)位移，原子與帶更多正電/負(fù)電的原子鍵合會(huì)導(dǎo)致電子結(jié)合能的增加/減少，因此可以測(cè)定相同元素不同氧化態(tài)的相對(duì)含量。相連氧原子的數(shù)量和鍵合方式（單/雙鍵）會(huì)改變C1s的電子結(jié)合能，因此可以區(qū)分含氧官能團(tuán)的種類(lèi)并測(cè)定其相對(duì)含量[18]。此外，O1s的XPS譜圖常用于含氧官能團(tuán)的表征。但在XPS結(jié)果分析中各種鍵合狀態(tài)下電子結(jié)合能差異較小，曲線(xiàn)擬合結(jié)果會(huì)受到人為輸入的峰數(shù)量、形狀和峰寬的影響。

1.3.2 TPD表征

TPD表征是基于含氧官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性差異進(jìn)行含氧官能團(tuán)分析的有效手段。如前所述，富氧多孔炭中的含氧官能團(tuán)在一定的溫度下會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，釋放出CO、CO2和水。以恒定的加熱速率（通常10K/min）在真空或惰性氣氛下加熱樣品，并通過(guò)質(zhì)譜儀確定釋放的氣體，可以定量分析不同含氧官能團(tuán)的種類(lèi)與含量[19]。盡管TPD中不同峰對(duì)應(yīng)的組分分配存在一定爭(zhēng)議，但已經(jīng)確立了一些基本趨勢(shì)：低溫（約250℃）下的CO2解吸峰可歸因于游離羧基的熱解，較高溫度下（350～600℃）的CO/CO2解吸峰可歸因于酸酐和內(nèi)脂的熱解，更高溫度（600～800℃）下的CO解吸峰則對(duì)應(yīng)于羥基、羰基和環(huán)氧基的熱解。TPD測(cè)試也存在一定的局限性，含氧官能團(tuán)實(shí)際峰位置會(huì)受到測(cè)試條件（樣品質(zhì)量、升溫速率、氣體流速、反應(yīng)器尺寸等）和富氧多孔炭孔結(jié)構(gòu)的影響，并且相鄰峰之間存在拖尾和重疊。此外，副反應(yīng)也會(huì)在一定程度上影響材料含氧官能團(tuán)的測(cè)定[20]。不僅含氧官能團(tuán)之間會(huì)發(fā)生臨近羧基、羥基的脫水縮合反應(yīng)，而且熱解過(guò)程釋放的氣體在擴(kuò)散過(guò)程中與孔道表面原子也可能發(fā)生次級(jí)反應(yīng)，如CO與表面O原子結(jié)合生成CO2、CO2與孔壁C原子反應(yīng)生成兩個(gè)CO分子等。

1.3.3 化學(xué)滴定法

富氧多孔炭的表面含氧官能團(tuán)具有相應(yīng)的酸堿性，并且不同類(lèi)型的含氧官能團(tuán)的酸堿性差異足夠大，從而允許通過(guò)簡(jiǎn)單的滴定法進(jìn)行區(qū)分。對(duì)羧基、內(nèi)酯和羥基等酸性官能團(tuán)而言，可以分別使用碳酸氫鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉的標(biāo)準(zhǔn)溶液中和富氧多孔炭材料的分散液，通過(guò)不同標(biāo)準(zhǔn)溶液的中和消耗量計(jì)算不同含氧官能團(tuán)的數(shù)量[21]。此外，乙醇鈉可以與羰基形成半縮醛結(jié)構(gòu)[==C(OEt)(O-Na+)]，其與NaOH中和消耗量的差值可用于羰基數(shù)量的定量測(cè)定。由于微孔對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的限制和羧酸酐、內(nèi)酯緩慢的水解開(kāi)環(huán)反應(yīng)，化學(xué)滴定法的反應(yīng)平衡過(guò)程非常緩慢，并且化學(xué)滴定法對(duì)弱酸性的含氧官能團(tuán)難以準(zhǔn)確測(cè)定[22]。在早期研究中，化學(xué)滴定法是定量檢測(cè)材料表面含氧官能團(tuán)的重要方法，隨著表征技術(shù)的發(fā)展，逐漸被XPS表征所取代。

綜合比較而言，目前用于表征富氧多孔炭含氧官能團(tuán)的常規(guī)表征手段比較豐富，可用于含氧官能團(tuán)的定性與定量分析，但這些方法又有各自的局限性。在實(shí)際研究中，往往需要根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)與組分結(jié)合多種表征手段進(jìn)行綜合分析。

2 引入含氧官能團(tuán)的方法

富氧多孔炭的合成方法主要分為兩大類(lèi)，一是使用氧化劑對(duì)炭材料進(jìn)行氧化處理，以達(dá)到含氧官能團(tuán)表面修飾的目的；二是調(diào)控含氧前體的炭化程度，通過(guò)部分熱解過(guò)程保留前體的部分含氧官能團(tuán)。

2.1 氧化處理

氧化處理過(guò)程是在炭材料中引入含氧官能團(tuán)的主要手段。關(guān)于經(jīng)典炭載體（如活性炭、炭黑、石墨和類(lèi)石墨材料等）的氧化改性處理在早期已經(jīng)被廣泛研究。本部分主要整理近年來(lái)最新的研究進(jìn)展，并分析其未來(lái)的研究方向。

2.1.1 化學(xué)氧化

化學(xué)氧化指通過(guò)氧化劑與炭材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)炭材料的氧化改性處理。根據(jù)氧化條件的不同，化學(xué)氧化可進(jìn)一步分為液相氧化和氣相氧化。

液相氧化通常以混酸、濃硫酸、硝酸、高錳酸鉀等強(qiáng)氧化性化學(xué)品作為氧化劑，由于相對(duì)較低的氧化溫度，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的大量含氧官能團(tuán)得以保留，因此是富氧多孔炭最常見(jiàn)的制備方法之一[23]。Lee等[24]使用混酸氧化碳納米管，并在該基礎(chǔ)上與還原氧化褶皺石墨烯等進(jìn)行復(fù)合，制備出具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的富氧多孔炭?；焖釓?qiáng)烈的氧化條件能夠引入豐富的表面含氧官能團(tuán)，三維的分級(jí)納米結(jié)構(gòu)也促進(jìn)了離子電子的高效傳輸。此外，考慮到混酸強(qiáng)烈的腐蝕性不符合綠色化學(xué)的發(fā)展要求，更加溫和的液相氧化劑也被用于炭材料的化學(xué)氧化改性，Lee等[25]研究了稀硝酸通過(guò)180℃下的水熱反應(yīng)對(duì)碳納米管進(jìn)行氧化處理，具有與混酸處理相近的表面氧功能化效果。

氣相氧化則通常以臭氧、氧氣、空氣、二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體作為氧化劑。由于含氧官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性差異，氣相氧化生成的含氧官能團(tuán)種類(lèi)與含量很大程度上取決于氧化溫度，隨氧化溫度的提升，熱穩(wěn)定性較差的CO2解吸基團(tuán)（羧基、脂基等）逐漸分解，因此通過(guò)較高氧化溫度的氧化過(guò)程引入的含氧官能團(tuán)主要以CO解吸基團(tuán)（羥基、羰基、醌基等）形式存在。此外，臭氧具有較強(qiáng)的氧化性，可以實(shí)現(xiàn)在室溫下進(jìn)行氧化處理，并且可以通過(guò)調(diào)控臭氧濃度控制引入的含氧官能團(tuán)的含量，因此受到較多關(guān)注。Lota等[26]在流化床反應(yīng)器中利用臭氧在常溫下對(duì)活性炭氧化處理，得到的表面改性活性炭具有20%的氧含量，氧化后材料的儲(chǔ)能性能顯著提升。

雖然化學(xué)氧化可以高效引入含氧官能團(tuán)，但其強(qiáng)烈的氧化條件使得氧化過(guò)程和氧化程度難以有效控制，因此在氧化之后對(duì)富氧多孔炭進(jìn)行部分還原以實(shí)現(xiàn)含氧官能團(tuán)含量和組成的優(yōu)化，成為常用的后處理過(guò)程。常用的還原方法包括熱還原、化學(xué)還原等。熱還原指利用不同含氧官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性差異，通過(guò)二次退火優(yōu)化含氧官能團(tuán)的含量與種類(lèi)。如圖3所示，Byon等[8]在200℃下對(duì)富氧多孔炭在氫氣/氬氣混合氣氛中進(jìn)行熱還原處理，XPS顯示二次熱處理使C—O基團(tuán)含量大幅降低，而活性的C==O基團(tuán)得以保留，實(shí)現(xiàn)了炭材料含氧官能團(tuán)種類(lèi)與含量的優(yōu)化?；瘜W(xué)還原方法則是使用化學(xué)還原劑對(duì)富氧多孔炭進(jìn)行處理，常見(jiàn)的化學(xué)還原劑包括硼氫化物、肼等。Liu等[27]使用四羥基-1,4-苯醌同時(shí)作為還原劑與聚合單體制備有機(jī)復(fù)合材料，利用四羥基-1,4-苯醌的還原性除去部分含氧官能團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料氧含量的有效調(diào)控。

圖3 功能化碳納米管氫熱還原前后XPSC 1s、O 1s譜和氫熱還原過(guò)程示意圖[8]

化學(xué)氧化是一種相對(duì)成熟的氧化方法，被廣泛應(yīng)用于各種炭材料的表面改性。未來(lái)化學(xué)氧化改性的研究應(yīng)當(dāng)注重氧化方法的優(yōu)化與優(yōu)良導(dǎo)電炭基底的選擇：①開(kāi)發(fā)綠色可持續(xù)的氧化劑和氧化方法，減少濃酸濃堿等強(qiáng)腐蝕性化學(xué)品和高溫條件的使用，同時(shí)選擇合適的后處理過(guò)程，對(duì)引入的過(guò)量含氧官能團(tuán)進(jìn)行可控的組分含量?jī)?yōu)化；②注重導(dǎo)電炭基底的優(yōu)選或設(shè)計(jì)合成，盡量保證富氧多孔炭能夠在氧化過(guò)程中保持良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

磁性金屬物含量是衡量小麥粉質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，檢測(cè)這一指標(biāo)所使用的磁性金屬物檢測(cè)器，按照計(jì)量認(rèn)證要求，每年都要進(jìn)行性能鑒定，以保證其符合工作要求。

2.1.2 電化學(xué)氧化

除化學(xué)方法外，電化學(xué)方法也適用于多孔炭材料的氧功能化。電化學(xué)氧化方法使用酸類(lèi)（如H2SO4）、堿類(lèi)（如KOH）和鹽類(lèi)（如Na2SO4）等作為電解質(zhì)，通過(guò)陽(yáng)極氧化的方式在多孔炭材料表面引入含氧官能團(tuán)。相較于化學(xué)方法，電化學(xué)氧化的反應(yīng)條件更加溫和，無(wú)需腐蝕性化學(xué)品和劇烈的反應(yīng)條件，是一種環(huán)境友好的氧化方法。電化學(xué)氧化可以通過(guò)調(diào)控施加的氧化電壓/電流、氧化時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控。Tabti等[28]使用硝酸和NaCl作為電解質(zhì)，研究了0.2～1A范圍內(nèi)恒流條件下活性炭和柔性多孔碳布表面的電化學(xué)氧化行為，表明可以通過(guò)調(diào)變電化學(xué)氧化過(guò)程的電解液種類(lèi)、氧化電流和氧化時(shí)間有效調(diào)控引入的含氧官能團(tuán)種類(lèi)與含量。通過(guò)對(duì)比不同電解質(zhì)下的氧化效果，提出NaCl電解質(zhì)可以在氧化過(guò)程中產(chǎn)生次氯酸鹽等強(qiáng)氧化性中間體進(jìn)行間接氧化，引入含氧官能團(tuán)的含量明顯高于硝酸電解質(zhì)的直接氧化過(guò)程，同時(shí)研究也表明羥基和羧基是恒流氧化過(guò)程產(chǎn)生的主導(dǎo)含氧官能團(tuán)。Wang等[29]在3V電壓下對(duì)商業(yè)碳布進(jìn)行快速恒壓氧化，得到了如圖4所示的表面碳纖維良好剝離、含氧官能團(tuán)豐富的改性碳布。在10min的優(yōu)化氧化時(shí)間條件下引入適宜含量的羥基、羧基主導(dǎo)的活性含氧官能團(tuán)，使得其電荷儲(chǔ)存能力大幅度提升。Wang等[30]通過(guò)循環(huán)伏安氧化方法對(duì)YP-50等多種商業(yè)炭材料進(jìn)行電化學(xué)氧化改性，結(jié)果表明在優(yōu)化的氧化條件下電化學(xué)氧化可以在炭材料表面誘導(dǎo)形成豐富的含氧官能團(tuán)，同時(shí)幾乎不影響炭材料的多孔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能。文獻(xiàn)提出循環(huán)伏安氧化方法可以將最不穩(wěn)定的羧基基團(tuán)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的羥基和醌基，表明了循環(huán)伏安氧化方法對(duì)于含氧官能團(tuán)種類(lèi)的優(yōu)化作用。電化學(xué)氧化方法是一種新興的炭材料表面改性手段，其溫和的氧化條件和高度受控的氧化過(guò)程使其具有良好的研究與應(yīng)用前景，但其氧化機(jī)理有待進(jìn)一步探索。

圖4 電化學(xué)氧化碳布纖維示意圖及掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、高分辨TEM圖[29]

2.2 前體繼承

前體繼承也是一種常見(jiàn)的富氧多孔炭制備方法。以有機(jī)聚合物、生物質(zhì)等富含氧元素的材料作為前體，通過(guò)調(diào)控炭化溫度進(jìn)行部分熱解，在形成導(dǎo)電碳骨架的同時(shí)保留前體中適宜含量的含氧官能團(tuán)。前體繼承方法僅需要在適宜的溫度下進(jìn)行簡(jiǎn)單的部分熱解，流程簡(jiǎn)單。此外，得到的富氧多孔炭可以基本保留前體的形貌結(jié)構(gòu)特征，也為富氧多孔炭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控提供了途徑。

生物質(zhì)來(lái)源廣泛、儲(chǔ)量豐富、成本低廉，其豐富的氧含量可以在部分熱解過(guò)程中原位摻雜于炭結(jié)構(gòu)中，是一種理想的富氧炭前體材料，對(duì)其高附加值利用也符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的需求。Liu等[31]通過(guò)部分熱解紫蘇葉前體制備了具有超高氧含量的多孔炭納米片。紫蘇葉前體中含有44.95%的氧含量，在700℃的優(yōu)化熱解溫度下制備的富氧多孔炭且保留了28.04%的氧含量。值得注意的是，當(dāng)熱解溫度從600℃升高至800℃時(shí)，富氧多孔炭的氧含量從30.97%降低至22.56%，表明氧含量隨熱解溫度升高而降低。為進(jìn)一步增加微孔和介孔以提高炭材料的比表面積，活化過(guò)程也成為富氧多孔炭材料常用的制備流程。Wang等[32]通過(guò)連續(xù)堿氧化、生物溶脹和低溫活化流程改變木質(zhì)前體的微觀形態(tài)得到具有三維支架結(jié)構(gòu)的二維納米炭片，為KOH活化劑的處理提供良好的層間孔隙途徑，在650℃的優(yōu)化活化溫度下獲得了20.9%的高氧含量與8.7%的氮含量。研究對(duì)比了活化溫度的影響，在更高的活化溫度（850℃）下，氧含量和氮含量會(huì)分別降低至10.5%和1.5%，表明氧/氮含量隨溫度變化趨勢(shì)與熱解過(guò)程基本一致。總體而言，前體繼承過(guò)程中富氧多孔炭的氧含量主要取決于前體和熱解/活化溫度，但即使在相當(dāng)高的熱解/活化溫度下（＞900℃），多孔炭材料仍能保持一定的氧含量（＞5%）。此外，玉米皮、甘蔗渣、棉花等各種廉價(jià)可再生生物質(zhì)也被應(yīng)用于制備富氧多孔炭材料，實(shí)現(xiàn)高附加值利用。此外，天然桃膠[33]、單寧[34]、葡萄糖[35]等生物質(zhì)小分子可以實(shí)現(xiàn)分子水平上的靈活調(diào)控，為富氧多孔炭元素組成的優(yōu)化提供了新的研究思路?？傮w而言，生物質(zhì)制備富氧多孔炭的研究取得了很大進(jìn)展，但生物質(zhì)自身結(jié)構(gòu)不均勻、存在雜質(zhì)等問(wèn)題依然限制了其作為高性能電極材料的應(yīng)用。

除生物質(zhì)之外，有機(jī)聚合物也是部分熱解制備富氧多孔炭的重要來(lái)源。一些剛性有機(jī)分子結(jié)構(gòu)能夠有效增強(qiáng)熱解過(guò)程中材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此可以通過(guò)聚合物分子層面的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)富氧多孔炭材料微觀結(jié)構(gòu)的可控合成，此外，模板法也可以用于制備孔徑均一、結(jié)構(gòu)有序的富氧多孔炭。有機(jī)硅剛性聚合物骨架[36]、醌胺聚合物[37-38]等諸多有機(jī)前體已經(jīng)被應(yīng)用于富氧多孔炭的制備并取得良好進(jìn)展。種類(lèi)極其繁多的有機(jī)物為有機(jī)聚合物前體及富氧多孔炭的組分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了豐富的選擇。

3 富氧多孔炭的作用

富氧多孔炭由于具有高比表面積、豐富的活性位和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在儲(chǔ)能、吸附和催化等領(lǐng)域得到了廣泛的探索和應(yīng)用。在儲(chǔ)能電極領(lǐng)域，富氧多孔炭結(jié)合了有機(jī)電極材料的高能量密度與無(wú)機(jī)多孔炭材料的高功率密度和良好循環(huán)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用潛力。本節(jié)結(jié)合富氧多孔炭在超級(jí)電容器和二次電池中的經(jīng)典應(yīng)用，闡述富氧多孔炭在儲(chǔ)能器件中的作用。

3.1 超級(jí)電容器

豐富的氧化還原活性含氧官能團(tuán)可以與電解質(zhì)離子進(jìn)行高度可逆的法拉第反應(yīng)，提供的高額贗電容成為富氧多孔炭比電容的重要組成部分。不同含氧官能團(tuán)與氫離子發(fā)生的法拉第反應(yīng)如圖5所示，其中氫醌與醌基的氧化還原電對(duì)可以發(fā)生兩電子的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，被廣泛認(rèn)為是酸性電解質(zhì)條件下的主導(dǎo)氧化還原活性基團(tuán)，而其他含氧官能團(tuán)在超級(jí)電容器體系中的儲(chǔ)能作用則需要進(jìn)一步明確。Oh等[39]通過(guò)熱還原氧化石墨烯調(diào)變不同含氧官能團(tuán)含量，研究了各種含氧官能團(tuán)在超級(jí)電容器體系中的電容貢獻(xiàn)。通過(guò)將XPS表征結(jié)果與電化學(xué)性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，提出羧基和羥基為堿性電解質(zhì)中的主要活性官能團(tuán)，對(duì)應(yīng)單位原子百分比的贗電容均為12.59F/g，而羰基和醌基是在酸性電解質(zhì)下的主要活性官能團(tuán)，對(duì)應(yīng)單位原子百分比的贗電容分別為13.55F/g和27.09F/g。

圖5 含氧官能團(tuán)應(yīng)用于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理[31]

當(dāng)富氧多孔炭應(yīng)用于超級(jí)電容器時(shí)，高度可逆的氧化還原反應(yīng)使得其不僅具有超高的比電容，并且能夠保持優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。Zhang等[37]采用醌胺聚合物前體制備了N、O摻雜分級(jí)多孔炭泡沫。在大孔-介孔-微孔的分級(jí)孔結(jié)構(gòu)和高雜原子含量的協(xié)同作用下，材料在1A/g的電流密度下具有410F/g的超高比電容，并在5A/g電流密度下循環(huán)15000次容量保持98%，顯示出良好的循環(huán)性能。經(jīng)擬合計(jì)算由氧化還原活性氧/氮官能團(tuán)貢獻(xiàn)的贗電容達(dá)到了160F/g，占據(jù)整體比電容的40%。Chen等[40]通過(guò)軟模板法制備具有28.08%的超高氧含量和比表面積935m2/g的分級(jí)多孔空心炭球，由于其超高氧化還原活性基團(tuán)的贗電容貢獻(xiàn)，材料在0.2A/g電流密度下的比容量高達(dá)535F/g，并在0.5A/g電流密度下循環(huán)10000次后容量保持92%，但如此高的氧含量也影響了材料的倍率性能，其在10A/g電流密度下僅保持低倍率容量的55%。Wang等[41]利用鹽模板、氧化刻蝕及高溫熔融鹽的共同作用，制備了具有超薄片狀結(jié)構(gòu)和比表面積1588m2/g的分級(jí)多孔炭片，結(jié)合10.68%氧含量帶來(lái)的氧化還原贗電容，材料在1A/g電流密度下具有407F/g的高比容量，并且在20A/g電流密度下容量保持60.4%，在2A/g電流密度下循環(huán)10000次容量保持92.6%。高氧含量帶來(lái)的高額氧化還原贗電容在大幅提升富氧多孔炭比電容的同時(shí)，其相對(duì)較慢的響應(yīng)速度也使得材料倍率性能不可避免地下降。

含氧官能團(tuán)對(duì)炭材料在電解質(zhì)溶液中浸潤(rùn)性的改善也是容量提升的重要因素。經(jīng)過(guò)活化作用制備的活性炭材料，具有超高的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙，引入含氧官能團(tuán)可以大幅改善材料的浸潤(rùn)性，使活性炭材料的性能得以充分發(fā)揮。Song等[38]通過(guò)醌胺聚合物熱解與活化過(guò)程制備具有2334m2/g高比表面積的氧氮摻雜多孔碳纖維，其氧氮含量分別為8.28%和5.16%。如圖6所示，氧氮摻雜使得材料的接觸角由120°大幅降低至30°～50°。浸潤(rùn)性的改善使得其在0.5A/g的電流密度下具有363F/g的高比電容，CV表明其在高掃速下雙電層電容占比為87.2%，說(shuō)明其高比容量主要源于氧氮摻雜對(duì)于雙電層電容的有效提升。材料以雙電層為主的容量顯示出超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在20A/g電流密度下循環(huán)100000次后保持90.1%的初始比容量。Tang等[42]通過(guò)600℃下熱解檸檬酸銨有機(jī)鹽并進(jìn)行KOH活化制備出具有2660m2/g超高比表面積的N、O摻雜分級(jí)多孔炭片，其氧氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.82%和1.37%，在超高比表面積、分級(jí)孔結(jié)構(gòu)和氧氮摻雜的協(xié)同作用下，材料在1A/g的電流密度下具有349F/g的高比電容，在100A/g的高電流密度下保持85%，并且在2A/g的電流密度下循環(huán)10000次容量保持96%，顯示出優(yōu)異的循環(huán)與倍率性能。

圖6 幾種醌胺聚合物衍生O、N摻雜炭與商業(yè)活性炭材料的接觸角測(cè)試結(jié)果[38]

受益于額外的氧化還原活性贗電容和改善的雙電層電容的共同作用，富氧多孔炭應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料的研究受到廣泛關(guān)注并取得豐碩進(jìn)展。本文已將近年來(lái)部分富氧多孔炭與氧/氮共摻雜多孔炭應(yīng)用于超級(jí)電容器的相關(guān)文獻(xiàn)整理于表1。結(jié)合當(dāng)前超級(jí)電容器領(lǐng)域的相關(guān)研究，理想的富氧多孔炭電極材料不僅應(yīng)當(dāng)具有適宜的氧含量以提供良好的浸潤(rùn)性和高額的氧化還原贗電容，也應(yīng)該注重調(diào)控材料形貌結(jié)構(gòu)與孔徑分布，增加可接觸活性比表面積，提高吸脫附/氧化還原反應(yīng)相界面，并促進(jìn)電荷傳輸以改善倍率性能，實(shí)現(xiàn)富氧多孔炭雙電層電容和氧化還原活性贗電容的充分發(fā)揮。

表1 富氧多孔炭材料應(yīng)用于超級(jí)電容器相關(guān)研究匯總

3.2 鋰/鈉離子電池

二次電池由于高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命而廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電子消費(fèi)品等領(lǐng)域。在新能源汽車(chē)/儲(chǔ)能電站等行業(yè)快速發(fā)展的當(dāng)下，鋰/鈉離子電池電極材料也需要進(jìn)一步發(fā)展以提升綜合性能。當(dāng)前商業(yè)化嵌入型正極材料能量密度已經(jīng)接近極限，亟需開(kāi)發(fā)新型正極材料以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的能量與功率密度需求。富氧多孔炭作為連接有機(jī)與無(wú)機(jī)領(lǐng)域的橋梁，使得高容量有機(jī)正極材料與高導(dǎo)電無(wú)機(jī)炭材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)成為可能，也為高比能、高功率鋰電正極材料的設(shè)計(jì)提供一種可行的策略。

Lee等[53]在2010年首次提出使用功能化納米結(jié)構(gòu)炭材料作為儲(chǔ)鋰電極，其將氧、氮官能團(tuán)引入具有高導(dǎo)電性的碳納米管表面，獲得具有高氧化還原活性的功能化碳納米管。作為鋰電正極材料時(shí)，材料在1.5～4.5V（vs.Li/Li+）的電壓區(qū)間內(nèi)的比電容達(dá)到250F/g。結(jié)合有機(jī)正極材料的相關(guān)研究，提升的比電容可歸因于表面的含氧官能團(tuán)（如羰基等）與鋰離子發(fā)生的可逆氧化還原反應(yīng)。在此之后，在石墨烯、碳納米管等高導(dǎo)電的炭基底上引入氧化還原活性的含氧官能團(tuán)構(gòu)建高比能鋰/鈉電正極材料成為一種極具吸引力的策略。本文已將近年來(lái)部分富氧多孔炭應(yīng)用于鋰/鈉離子電池的相關(guān)文獻(xiàn)整理于表2。

表2 富氧多孔炭材料應(yīng)用于鋰/鈉離子電池相關(guān)研究匯總

富氧多孔炭應(yīng)用于鋰離子電池正極材料時(shí)，不同含氧官能團(tuán)的電荷存儲(chǔ)作用存在差異，探究其電荷存儲(chǔ)機(jī)制對(duì)于富氧多孔炭正極材料的優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。在有機(jī)電解液中，氧官能團(tuán)與電解質(zhì)離子（Li+/Na+）氧化還原反應(yīng)的可逆性存在較大爭(zhēng)議。通常認(rèn)為羰基/醌基是貢獻(xiàn)可逆氧化還原贗電容的主導(dǎo)活性基團(tuán)，而認(rèn)為羧基/內(nèi)酯基團(tuán)貢獻(xiàn)容量不可逆，因此在電極材料制備過(guò)程中會(huì)除去該部分不穩(wěn)定含氧官能團(tuán)以提升電極材料整體循環(huán)穩(wěn)定性。Yuan等[9]通過(guò)氫熱還原方法促進(jìn)了羧基/內(nèi)酯基的分解和羰基/環(huán)氧基的形成，大幅提升了材料作為鋰離子電容器正極材料的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，其在1A/g電流密度下循環(huán)10000次保持89%的初始比容量。但羥基[54]、羧基[55]和環(huán)氧基[56]作為可逆氧化還原反應(yīng)位的觀點(diǎn)也均被提出，因此對(duì)于含氧官能團(tuán)的實(shí)際反應(yīng)過(guò)程仍需要進(jìn)一步研究和明確。

除此之外，對(duì)于鋰/鈉離子電池而言，更寬的工作電壓意味著更高的能量密度，提高氧化還原電位對(duì)正極材料也至關(guān)重要。Liu等[57]使用石墨烯模型計(jì)算了氧化石墨烯片層上不同含氧官能團(tuán)與鋰離子的氧化還原反應(yīng)電位，結(jié)果如圖7所示，羰基和環(huán)氧基具有相對(duì)較高（3Vvs.Li/Li+）的氧化還原電位，表明兩者是較為理想的氧化還原活性基團(tuán)。Kim等[58]進(jìn)一步計(jì)算了石墨片層邊緣?mèng)驶土u基數(shù)量對(duì)氧化還原電位的影響，結(jié)果顯示隨邊緣?mèng)驶鶖?shù)量提升，材料的氧化還原電壓持續(xù)升高至5.3V，而隨羥基數(shù)量提升，氧化還原電位維持在1.4V附近，表明高密度的羰基結(jié)構(gòu)可以有效提升富氧多孔炭整體氧化還原電位。因此，對(duì)官能團(tuán)種類(lèi)和含量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，選擇性引入豐富的羰基結(jié)構(gòu)是提升炭基鋰電正極材料性能的有效途徑。

圖7 DFT計(jì)算不同含氧官能團(tuán)的氧化還原電位（vs.Li）[57]

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮含氧官能團(tuán)氧化還原容量的關(guān)鍵。二維片狀結(jié)構(gòu)相較于普通的大尺寸顆粒，具有極高的比表面積，可以充分暴露表面的活性位。Liu等[35]通過(guò)使用GO模板水熱炭化葡萄糖制備了厚度僅為10～20nm的表面活性超薄二維納米炭片。通過(guò)調(diào)控水熱炭化溫度優(yōu)化氧碳比實(shí)現(xiàn)高氧化還原活性，同時(shí)超薄的二維結(jié)構(gòu)促進(jìn)表面活性含氧官能團(tuán)的高效利用。因此，活性二維納米炭片在鋰電和鈉電中分別獲得0.05A/g電流密度下250mA·h/g和210mA·h/g的高比容量，明顯優(yōu)于無(wú)GO模板制備的納米炭球樣品，表明提升多孔炭的可接觸比表面積是促進(jìn)富氧多孔炭性能發(fā)揮的有效途徑。除二維結(jié)構(gòu)外，使用一維碳納米管基底構(gòu)建具有高活性比表面和三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)富氧多孔炭也是常用的方案。Liu等[59]將具有高氧化還原活性的多巴胺原位聚合于碳納米管表面，利用聚多巴胺中的活性醌基基團(tuán)與鋰/鈉離子之間可逆的氧化還原反應(yīng)提供高比容量，應(yīng)用于鋰/鈉半電池中在0.05A/g的電流密度下比容量分別達(dá)到235mA·h/g和213mA·h/g。該課題組同樣研究了將多巴胺聚合于石墨烯基底[60]表面，在儲(chǔ)能應(yīng)用中也具有良好的表現(xiàn)。Park等[61]通過(guò)硝酸氧化和超聲制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的氧功能化碳納米管。如圖8所示，其外層功能化的碳納米管具有高比表面積、豐富的缺陷位和大量的活性含氧官能團(tuán)，同時(shí)內(nèi)層未氧化的碳納米管提供良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此外，通過(guò)氫熱還原的后處理過(guò)程移除了不必要的C—O基團(tuán)，材料的電導(dǎo)率和電荷轉(zhuǎn)移效率得到一定程度地恢復(fù)。在高活性表面與高導(dǎo)電基底的協(xié)同作用下，材料在0.1A/g的電流密度下具備344mA·h/g的比容量，并且保持了良好的倍率與循環(huán)穩(wěn)定性，優(yōu)于同類(lèi)研究報(bào)道。

圖8 核殼結(jié)構(gòu)功能化碳納米管示意圖[61]

對(duì)于典型的鋰/鈉離子電池電極材料而言，為實(shí)現(xiàn)高能量密度，富氧多孔炭通常具有較高的氧碳比以實(shí)現(xiàn)高額的氧化還原反應(yīng)容量。因此，富氧多孔炭正極材料的設(shè)計(jì)可以考慮以下途徑：①在深入了解不同含氧官能團(tuán)儲(chǔ)能機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)高度受控的氧化過(guò)程選擇性引入醌基、共軛羰基等特定種類(lèi)的活性含氧官能團(tuán)，或在后處理過(guò)程中對(duì)含氧官能團(tuán)進(jìn)行精準(zhǔn)的種類(lèi)與含量?jī)?yōu)化，最大程度發(fā)揮含氧官能團(tuán)的氧化還原活性，減少對(duì)高氧含量的依賴(lài)；②優(yōu)選具有高比表面積、高導(dǎo)電的多孔炭基底，經(jīng)精細(xì)的形貌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組分分布調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電的多孔炭基底與高氧化還原活性表面的協(xié)同作用，提升富氧多孔炭電極材料的綜合性能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，富氧多孔炭作為一種新興的儲(chǔ)能電極材料，將無(wú)機(jī)高導(dǎo)電的多孔炭與有機(jī)高容量含氧官能團(tuán)相結(jié)合，為高能量密度、高功率密度與高循環(huán)穩(wěn)定性的炭基儲(chǔ)能電極材料的設(shè)計(jì)提供了一種極具潛力的方案?？v觀富氧多孔炭在儲(chǔ)能領(lǐng)域的相關(guān)研究，依舊存在以下問(wèn)題。

（1）含氧官能團(tuán)的儲(chǔ)能機(jī)理不夠明確。盡管已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)的模擬計(jì)算，但不同含氧官能團(tuán)在儲(chǔ)能過(guò)程中的作用機(jī)理依然存在爭(zhēng)議，仍需要先進(jìn)的原位表征手段，如原位紅外、原位XPS等，驗(yàn)證富氧多孔炭電極材料在充放電過(guò)程中含氧官能團(tuán)與電解質(zhì)離子實(shí)際的反應(yīng)過(guò)程，明確在不同儲(chǔ)能體系下的主導(dǎo)活性含氧官能團(tuán)，用以指導(dǎo)富氧多孔炭電極材料的合成與含氧官能團(tuán)組分的優(yōu)化。

（2）引入含氧官能團(tuán)導(dǎo)致多孔炭材料導(dǎo)電性能下降。低氧含量時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)組分的優(yōu)化，可以使多孔炭的導(dǎo)電性得到良好保持，但在高氧含量下，富氧多孔炭的倍率性能仍不可避免地大幅降低。因此需要在當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上通過(guò)精細(xì)的形貌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氧組分種類(lèi)、含量與分布的精準(zhǔn)調(diào)控，在保持離子、電子高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)，最大程度發(fā)揮含氧官能團(tuán)的氧化還原活性，實(shí)現(xiàn)能量密度與功率密度的兼顧。

綜合而言，富氧多孔炭的氧組分與形貌結(jié)構(gòu)的綜合調(diào)控仍是未來(lái)研究的關(guān)注重點(diǎn)，如何在保持炭基底高導(dǎo)電性的同時(shí)高效利用表面活性含氧官能團(tuán)以實(shí)現(xiàn)超高的快速氧化還原贗電容仍是現(xiàn)階段富氧多孔炭電極材料設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問(wèn)題。