摘要
活性炭（AC）材料因其高比表面积、多样的孔结构以及优异的导电性而成为电化学储能应用中高效且多用途的选择。本研究探讨了活性炭材料合成和应用方面的最新进展，以及它们在新型氢储存和超级电容器解决方案中的使用。基于碳的电极在超级电容器中表现出杰出的电化学性能，具有高电容、快速的充放电循环和长寿命。通过表面改性和引入金属纳米颗粒，活性炭材料展现出显著的氢储存吸附潜力，从而增强了氢的吸收性能。要最大化活性炭电极的性能，需要关键性地研究与孔径分布、表面动力学和材料加工之间的相互作用。本分析详细而全面地考察了当前面临的挑战以及提高活性炭材料储能和氢储存能力的潜在策略，重点关注其结构和化学特性。研究结果表明，活性炭材料作为向清洁能源技术过渡中的可行和可持续选择具有巨大前景。
基于活性炭的超级电容器达到了高达695 Fg⁻¹的电容和99%的循环稳定性。在77 K时，活性炭中的氢储存量可达7.08 wt.%，其优化的孔径小于0.7 nm。KOH激活可将活性炭的比表面积提高到超过3000 m² g⁻¹，从而增强储能性能。活性炭脱盐电极显示出34.1 mg⁻¹的盐吸附量和44.9%的效率。
1 引言
活性炭材料在推进储能系统方面发挥了关键作用，尤其是在超级电容器和氢储存领域[1, 2]。由于在活化过程中能够改善孔结构和尺寸等表面特性，活性炭材料在电化学应用中展现出出色的多功能性。这些特性使其成为实现可持续和高效能源解决方案的关键。超级电容器是一种储能装置，尽管放电速率较低，但能够提供比传统电容器（CCs）更多的能量。与电池相比，它们具有更高的功率输出，并且寿命更长，可能超过100万次循环。这些独特特性使超级电容器能够填补传统电容器和电池之间的空白，适用于广泛的应用[3]。由活性炭材料制成的超级电容器以其大的多孔表面积、可定制的孔结构和优异的导电性而受到认可。超级电容器也被称为电化学电容器，它们在电池和传统电容器之间架起了桥梁，提供了高功率密度、快速充放电能力和延长的使用寿命。此外，活性炭的多孔结构促进了离子的有效传输，提高了超级电容器的电化学性能和储能能力[4, 5]。化石燃料（石油、天然气和煤炭）的使用在全球范围内取得了显著进展，但也加剧了环境问题。未来的能源系统可以从氢的高能量密度和无碳能源潜力中大大受益，其中生物质衍生的活性炭作为氢储存及相关能源应用的可持续材料发挥着重要作用。采用氢作为清洁能源载体的关键挑战是其高效储存，而这可以通过应用活性炭材料来缓解[6]，因为活性炭具有强大的吸附能力和分子调控能力[2, 7]。普遍认为，碳材料的化学和多孔结构决定了它们储存氢的能力[1]。在氢储存的背景下，活性炭材料因其强大的吸附能力和调节分子相互作用的能力而至关重要，使其成为储存氢（一种高能量含量的清洁能源载体）的理想选择。然而，高效的氢储存仍然是一个挑战[8, 9]。电化学过程涉及将氢以原子形式储存，而不是分子形式，这需要在碳表面上形成适当的双电层（EDL）。大直径的孔，包括超微孔和中孔，对于促进反应物和产物的有效传输至关重要，从而提高反应效率[2, 10]。通过精炼活性炭的表面化学和孔结构，研究人员可以提高氢的吸收能力，使活性炭成为实际应用中的有前景的材料。碳材料的活化过程涉及控制温度、时间、导电介质和前体相关因素等参数，以达到所需的孔隙率和孔径分布。在活化过程中需要控制的参数包括温度、时间、导电介质和前体相关因素。化学活化[11]已广泛用于提高各种基于碳的材料的电化学性能，例如碳纳米纤维（CNFs）[12]、碳纳米管（CNTs）[13]和石墨烯[14]。化学活化过程已被证明可以提高CNFs（电容从1到60 Fg−1）[15]、CNTs（双电层电容约50 Fg−1）[16]和石墨烯（能量密度约为70 Wh kg−1）[17]的性能[18, 19]，这得益于孔体积、孔分布和SSA（Specific Surface Area）以及整个系统的效率[16]。因此，通过KOH电解质的化学活化具有一些特定优势，通过随后与K2CO3的反应可以发展出具有更高离子导电性的多孔结构[20]。通过KOH活化合成碳材料的比表面积通常可显著高于2000 m² g⁻1。这种增加的比表面积可以通过同时的插层和脱插层过程来解释，从而导致石墨烯层间隙的增长和部分气化[15, 21, 22]。另一方面，高石墨化程度的碳化合物在化学上活化或创建微孔结构方面据报道具有挑战性[23]。根据Merino等人的研究[15]，使用KOH进行化学活化后，CNFs的电容从1 Fg−1增加到60 Fg−1。Yang等人[13]使用KOH活化的CNT电极将电容提高到了约50 Fg−1。KOH活化后SSA的增加（高达3100 m² g−1）导致电容的增加。最近有报道指出，在有机电解质中KOH活化的石墨烯达到了70 Wh kg−1的能量密度[14]。然而，由于由此产生的多孔结构引入的电阻增加，整体性能受到限制。因此，优化化学活化过程以获得高比表面积以增强能量密度同时保持足够的导电性以支持功率密度至关重要，同时确保孔径分布的平衡[13]。考虑到球形活性材料在流动性和有效渗透通道（在静止状态）方面的优势，Zhang等人[24]展示了如何使用含有间苯二酚/甲醛混合物的乳液聚合技术在酒精和氨催化剂存在下制备纳米碳球（CSs）。这些聚合物球在氮气中碳化并在CO2中活化后，转化为高比表面积的纳米碳或CSs。与之前研究的微米级CSs不同，纳米CSs具有较大的表面积和更短的离子及电荷传输路径[24]。虽然一些先前的研究[18, 19, 25-29]回顾了活性炭材料在电化学和氢储存应用中的使用，但大多数研究主要集中在合成方法、活化技术或特定应用（如超级电容器或氢吸附）上。Xian Li等人[30]证明，来自松木锯屑的活性炭在氢储存和超级电容器应用中具有显著的潜力，这得益于其超高的SSA和优化的孔结构。该研究提出了一种新的“限制性活化”方法，提高了表面积和孔结构，从而改善了氢储存能力（在77 K、40 bar压力下为7.73 wt.%)和电化学性能（能量密度为12.92 Wh.kg−1）。一些作者详细汇编了使用各种木质纤维素前体作为碳源生产用于超级电容器应用的活性炭的数据[31, 32]。然而，这些研究往往缺乏对合成技术、结构特性和电化学性能之间相互作用的综合视角。关于新兴趋势的讨论，如将活性炭与其他纳米材料结合使用的混合系统或使用非常规前体的研究也有限。大多数先前的研究集中在关键性能因素上，如孔隙率、表面化学、复合合成、活化机制和制备技术。然而，关于表面化学、表面积和孔径如何影响活性炭电极电化学性能的关键问题仍然存在。尽管有令人鼓舞的发现，但评估这些材料的可扩展性和实际应用性至关重要。这些局限性突显了进行彻底回顾的必要性，该回顾综合了现有知识，识别了研究空白，并为优化下一代能源储存和氢储存应用的活性炭材料提供了前瞻性见解。然而，还需要更多的研究来解决孔径和分布优化等问题，以及评估混合多孔碳复合材料以获得更好的储存性能。本研究批判性地探讨了：
活性炭材料在电化学储能领域的进展，特别关注其在超级电容器和氢储存系统中的应用。论文强调了该领域的最新进展，并解决了在全球能源需求增长的同时减少环境影响的问题。它探讨了活性炭的合成技术、孔结构和表面化学对性能的影响，以及活性炭在储能中的实际应用。通过展示活性炭满足可持续能源需求的潜力，这项工作突显了材料科学持续创新的重要性，将活性炭定位为开发节能和环保储能技术的关键组成部分。如图1所示，本综述首先对超级电容器和氢储存系统的应用进行了全面调查，从而激发了对活性炭的研究兴趣，并确定了材料工程的性能目标（第2节）。随后讨论中探讨了通过合成路线和活化技术使活性炭材料具备所需结构和化学特性的方法（第3节）。第4节分析了控制材料属性和电化学行为的有效参数，包括孔径分布、比表面积、表面化学和反应动力学。要理解活性炭材料如何为其预期应用进行优化，充分理解这些参数与电化学性能之间的关系至关重要。在整个讨论中，重点关注应用需求驱动合成决策、合成决策决定孔结构、孔结构最终决定电化学性能这一关键反馈循环。第5节讨论了限制活性炭基系统广泛采用的当前挑战，并指出了有望扩展材料性能前沿的新兴研究方向。
2 活性炭的应用
2.1 超级电容器
正在进行的研究致力于持续推进储能技术，包括超级电容器、锂离子电池和燃料电池等能源生成系统[33, 34]。与传统电容器相比，超级电容器具有较宽的工作条件范围、可靠的循环寿命、异常快速的充放电速率和更高的功率密度。然而，它们的广泛商业化主要受到能量密度不足的阻碍[35, 36]。这一进展支持了开发成本效益高的超级电容器电极材料的发展，提供了更好的电化学性能和较大的电荷储存能力，如图2所示。根据其电荷储存机制，超级电容器可以分为三种基本类型：电双层电容器（EDLC）（图2b）、赝电容器（PC）（图2c）和电池混合超级电容器（BHS）（图2d）。通常，EDLC主要依赖于基于碳的电极材料，如活性炭、石墨烯和碳气凝胶纳米结构碳，通过电极和电解质界面之间的可逆离子吸附/解吸来储存电荷。由于能量和功率密度较低，传统的电介质电容器和电池预计将被更先进的超级电容器技术逐渐取代。通过优化表面积和孔结构来提高这些材料的性能对于克服传统储能设备的局限性并确立超级电容器作为未来能源系统的更高效解决方案至关重要。图2（在图查看器中打开）
(a) 描述了各种电化学储能设备性能的Ragone图[37]；(b) 电双层电容器的电荷储存机制；(c) 赝电容器；(d) 电池混合超级电容器[38]（经参考文献[37, 38]许可转载）。超级电容器作为能量存储解决方案提供了一个极具吸引力的选择，其特点是具有卓越的稳定性、长寿命、高功率密度、可接受的能量密度以及环保特性 [39, 40]。超级电容器（EDLC）的应用方法基于物理性质的变化，而非化学反应，这与它们的能量存储原理相符。能够展示出色循环稳定性、速率稳定性和广泛适用性的材料在超级电容器领域备受青睐。其中，碳材料因其出色的循环稳定性和高电导率而受到特别关注，这使得它们特别适合用于超级电容器。碳材料在能源相关应用中的广泛应用归因于其丰富的资源、化学和热稳定性、易于加工的性质，以及能够根据特定性能要求调整其结构和纹理特性。此外，碳材料还具有成本效益和高表面积（超过1000平方米每克），以及大于0.5立方厘米每克的孔隙体积，使其成为超级电容器电极和其他能量存储应用的理想候选材料。这些特性有助于推进高性能、低成本的能量存储解决方案的发展 [33]。此外，来自植物基生物质的碳材料越来越多地被認为是有效的、可持续的超级电容器和电池电极材料。这些材料通常具有相互连接的、分层的多孔结构，有助于改善离子传输和电荷存储 [41, 42]。Mehdi等人开发的来自椰子壳的活性炭 [43] 在1安培负电荷下的比电容达到了487.5法拉加仑，这归功于其高电导率和高效的离子扩散。通过热解和化学活化制备的松果壳活性炭在1摩尔酸性电解质中的比电容为185法拉加仑 [44]。最近，通过壳聚糖和氨基葡萄糖的水热炭化后进行化学活化制备的多孔氮掺杂碳材料展现了优异的电荷存储性能。这些多样的途径展示了各种富含氮的生物质前体在超级电容器应用中的巨大潜力。例如，Sun等人 [45] 利用丝蛋白衍生的氮掺杂多孔碳来提高离子导电性，从而得到了比电容为565.3法拉加仑的改性多孔碳，这归因于改进的离子传输。从蛋清中提取的富含氮的碳在1摩尔硫酸和250毫安培电流下的比电容为390法拉加仑 [46]。在最近的一项研究中，从虾壳制成的壳聚糖生物质中通过同时进行炭化和KOH活化制备了氮掺杂活性炭 [47]。该材料在1摩尔硫酸和50毫安培电流下的比电容为695法拉加仑，在6摩尔KOH和50毫安培电流下的比电容为357法拉加仑，并且在这两种电解质中均保持了超过280法拉加仑的比电容。此外，杂原子共掺杂策略，如从聚丙烯酰胺前体制备的硼-氮共掺杂分层多孔碳，展示了412.7法拉加仑的比电容和97.6%的循环稳定性（经过10,000次循环后）[48]。表1概述了碳材料在超级电容器中的应用情况。
表1. 基于碳材料的超级电容器的性能。
| 材料 | 电解质 | 比电容（法拉加仑） | 循环稳定性（循环次数） | 速率稳定性 | 功率密度（能量密度） | 参考文献 |
|-------------|-----------------|-----------------|-------------------|-----------------|-------------------|
| 番石榴果皮 | 1摩尔Na2SO4 | 1 | 136.5 | 1 | [69] |
| 杨树花序 | 1摩尔Na2SO4 | 1 | 314 | 1 | [70] |
| 香蕉叶 | 0.5摩尔Na2SO4 | 1.2 | 55 | [71] |
| 大麻衍生活性炭（HAC） | 1摩尔H2SO4 | 1 | 594 | 0.3阿伽门农 | [72] |
| 石墨烯 | 0.1摩尔KCl | 2.2–2.4 | 59 | 0.1阿伽门农 | [73] |
| 全石墨烯（IG/FG） | 1摩尔Na2SO4 | 1.7 | 434 | 1 | [74] |
| 两性离子石墨烯网络 | 1摩尔Na2SO4 | 0.7 | 960 | 1 | [75] |
| PPy/MXene纳米复合材料 | 1摩尔H2SO4 | 1.7 | 474 | 1 | [76] |
| MOF@PPy@MXene/CNT | 3摩尔KOH | — | 1567.5 | 1 | [77] |
| PPy@MXene/聚氨酯纤维 | 1摩尔H2SO4 | — | 32 | 0.1阿伽门农 | [78] |
超级电容器的降解是一个复杂的过程，涉及多种反应，包括电池外壳、电流收集器、粘合剂、电极材料和电解质 [79]。碳材料超级电容器与电解质材料相互作用，可能会因电解质分解产物的作用而失去部分微孔性 [79]。碳电极的孔径大小与电解质离子的大小不匹配可能导致性能下降和电池退化。对不同碳基超级电容器性能退化研究表明，其失效机制很大程度上取决于所使用的碳材料类型。例如，在活性炭基超级电容器中，活性材料的损失和电解质的分解是导致性能下降的主要因素 [80, 81]。相比之下，碳纳米管基超级电容器则面临管道聚集和排列的问题，导致导电性下降和电阻增加。同样，碳化物基超级电容器的退化机制与碳材料的结构稳定性有关，碳材料的表面化学性质在退化过程中起着关键作用。用于能量存储系统的不同类型的电解质表现出不同的失效机制，这些机制直接影响设备的性能、稳定性和安全性 [82]。水基电解质（如NaCl、KOH和H2SO4）通常会遇到电极腐蚀、气体释放、电压窗口窄、枝晶形成以及由于盐不完全 dissociation 或不希望的侧反应（如水分解）导致的离子导电性降低等问题。Ratajczak等人研究了在1摩尔Li2SO4中的对称型超级电容器退化 [83]，发现在正常循环（最高1.8伏特）下仅引起轻微的气体释放，但在该电压下漂浮会导致压力线性增加到95毫巴，表明电解质分解和电阻增加是电容损失的关键因素。电极表面积的减少也是一个因素，因为在负电极产生的H2可以在多孔碳中可逆吸附 [84]。Platek等人 [85] 研究了在1摩尔KI中的超级电容器，发现正电极上的侧反应（包括多碘化物的形成和固体产物的沉积）会堵塞微孔，使表面积减半，并导致电容显著下降。有机电解质（包括乙腈基和碳酸盐基系统）则面临溶剂氧化在高压下形成钝化层、电解质通过水解或聚合分解、容量衰减以及气体释放等问题。尽管离子液体提供了更宽的电化学稳定性，但它们常常受到低离子导电性和高粘度的限制，从而导致离子传输阻力、界面不稳定性和在热或电化学应力下的分解 [82]。理解这些失效机制对于设计针对特定能量存储应用的坚固电解质系统至关重要。此外，重复循环和环境因素也可能导致表面积逐渐丧失，从而降低能量存储容量。然而，碳材料的高化学和热稳定性确保了它们在极端条件下的结构完整性。通过KOH活化在H2SO4和KOH电解质中制备的稻壳碳电极（RHC）表明，含有氧的功能团的稳定性对循环性能有显著影响。RHC在H₂SO₄中表现出优异的稳定性，这得益于其稳定的类似醌的基团，这些基团能够进行可逆的氧化还原反应，保持正电极的电容，并防止最大电位（Emax⁺）的增加。相比之下，在KOH中，羧基和内酯基团的水解会降低正电极的电容，增加Emax⁺，并促进碳的氧化，形成一个自我强化的循环，最终导致快速降解。使用1 M Li₂SO₄的碳基超级电容器的研究表明，超过1.8 V的长期运行受到正电极不可逆氧化的限制[86]。Chen等人[87]指出，在循环过程中碳电极的表面氧化会导致含氧功能团的形成，这可以增强伪电容，但也可能导致内部电阻增加和电容保持能力下降。最近的一项研究利用X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）来检查纳米硅电极在循环过程中的表面氧化[88]。该研究揭示了氧化硅层的形成和演变对电极的电化学性能和循环稳定性有显著影响。另一项研究[89]采用扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱（STEM-EELS）来研究在高电压下循环后LiNiO₂正极的表面退化情况。它显示了一个可逆的表层（RSL）的形成，该表层大约延伸到材料内部200 nm，表明了表面氧化及其对电池性能的影响。Mazloomian等人[90]报告说，EDLC超级电容器在恶劣条件下的失效主要是由于温度升高。过热导致电极大规模分层，而过充电则在电极针附近产生局部损伤。温度超过150°C时会导致隔膜破裂、内部短路和电解质蒸发，产生高内部压力。尽管有通风机制可以部分缓解压力，但仍有40%–62.5%的通风失败情况，这构成了显著的安全风险。事后X射线CT确认了隔膜的破坏，并且没有检测到制造缺陷，表明热诱导的退化是这些电池的主要失效机制。尽管存在这些挑战，研究仍然集中在通过优化其结构属性（如表面积和孔隙体积）来提高基于AC的材料的稳定性和性能，以增强其在超级电容器应用中的效率。将碳纳米材料（如CNTs和CNFs）与传统的AC结合开发的纳米复合电极在提高电容、充放电效率和耐用性方面显示出有希望的结果，使AC材料更适合先进的能源存储技术。两项研究[91]和[92]都展示了合理的纳米结构设计如何通过稳定活性材料来增强电化学性能。Bu等人[91]水热合成了1T相VS₂层状花簇作为热电池的正极。它们的高内在导电性（1.583 S cm⁻¹，约为FeS₂的75倍）最小化了内部电阻，而在原位氧化形成的V₂O₃创建了一个协同的氧化物-硫化物界面，减轻了机械破坏和表面退化。这导致了更高的电压平台（2.11 V vs. FeS₂的1.84 V），特定容量增加了12.1%，质量能量密度提高了13.9%。同样，Cui等人[92]报道了涂有聚吡咯（PPy）并固定在导电Co-MOF衍生的N-C纳米片上的Fe₂O₃纳米针，形成了一个3D层次结构，增强了离子/电子传输并保持了结构完整性。PPy涂层缓冲了体积变化，而N-C支架保持了机械凝聚力。这些研究共同展示了诸如异质界面工程、保护性聚合物涂层和层次导电支架等策略，以抑制退化并改善速率性能、容量保持能力和操作稳定性。
2.2 氢存储
氢是一种非常有前途的替代能源载体，具有最高的重量能量密度（120 kJg⁻¹），这是汽油的三倍，而且在氧化过程中不会产生温室气体排放。然而，高效和安全的存储仍然是一个主要挑战，特别是对于车载系统而言。图4a突出了H2存储技术的现状和经济方面。要实现这一目标，需要开发具有高体积和重量容量、优化的孔隙率以及适合的吸附特性的先进多孔材料，以满足存储目标并确保氢的安全、高效存储[97, 98]。已经研究了多种高孔隙率材料（图4b）用于这一应用，包括MOFs[99-101]、沸石[102]、类似沸石的碳基化合物[96, 103]以及来自碳化物的碳[104, 105]。图4c展示了在298 K和高达20 MPa的压力下选定样品的氢过量吸附等温线。结果表明，纳米管和纳米纤维在室温下的氢吸附容量最低，主要是因为它们的孔隙率发展有限。相比之下，其他材料的等温线显示孔隙率的增加与氢吸附容量的增强之间存在直接关联[96]。图4d表明，在低压下AC的超微孔在氢存储中起主要作用，而在高压下则整个表面积都起作用[95]。图4a显示了考虑到美国能源部（US DOE）密度目标的氢存储技术的最新进展[93]，图b展示了各种氢吸附剂的候选者[94]，图c展示了在298 K下各种碳材料上的氢过量吸附等温线，图d展示了氢的吸收量和表面积作为活化温度的函数[95]（经参考文献[93, 95, 96]许可重现）。此外，在更高的温度下，材料会发生变化（例如，孔隙形成和孔隙率增加），从而增加了其总表面积。虽然AC材料由于其高表面积和孔隙率而在氢存储方面显示出巨大潜力，但它们的稳定性和性能受到退化机制的限制，包括孔结构的变化、化学稳定性和热效应。为了提高其长期效率，进一步优化合成方法、孔结构以及循环条件是必要的。Cui等人[106]证明，将导电碳涂层与稳定无机添加剂（Y₂O₃）结合使用，可以显著改善高应变活性颗粒的速率能力和长期循环稳定性。具体来说，他们的Si/Y₂O₃@NC复合材料在0.2 A g⁻¹电流下经过100次循环后保持较高的可逆容量（约1204.6 mAh g⁻¹，在1 A g⁻¹电流下经过500次循环后保持约900.7 mAh g⁻¹），与未涂层或单层涂层对照组相比有明显改善。在相同条件下测试时，MXene或无机/碳中间层可以改善伪电容聚合物涂层或生物质衍生碳的耐久性和速率保持能力。基于碳的多孔材料因其高表面积、大孔隙体积、优异的化学稳定性和可定制的孔隙率而受到广泛关注。在这些材料中，来自碳化物的碳和模板碳在氢存储研究中取得了显著进展。Saha等人[107]研究了用食物废弃物制成的活性炭的氢吸附性能。在800°C下使用不同的KOH比例（2:1、3:1和4:1）活化后，制备了超级活化的水炭（FW-RAW、FW-HC、FW-SAH-R2、FW-SAH-R3和FW-SAH-R4）。根据氮吸附等温线，FW-SAH-R4的最大表面积为2885 m²/g，孔隙体积为1.93 cm³/g，因此表明孔隙结构的发展，特别是较高的KOH/水炭比例，有助于提高氢存储能力[107]。然而，由于其有利的性质和多功能性，AC材料仍然是最广泛研究和使用的氢存储碳材料[33, 108]。表3总结了AC在氢存储中的各种应用。
2.3 漂液电极
最近几十年，在小规模电能存储系统（包括电池和超级电容器[126-129]）的开发方面取得了显著进展。这些设备因其高效的能量存储和快速的充放电循环潜力而受到广泛关注。然而，将这些技术扩大到大规模应用会引起经济可行性和能源效率方面的担忧。与扩大规模相关的挑战通常包括高昂的制造成本、有限的运行寿命以及在大规模下的效率损失，这可能会阻碍它们在电网存储和其他大规模能源系统中的广泛应用[130, 131]。流动电化学系统是一种替代的技术选项，用于电网规模的能量存储。该系统将电化学能量转移单元与反应物和产物分开。熔盐电池[53]、氧化还原 flow 电池[132, 133]和最近公开的半固态锂 flow 电池[134]就是这样的例子。报告显示，单一流电池显示出超过10 kWkg⁻¹的高功率密度，而传统超级电容器的能量密度约为5 Whkg⁻¹[135]。图5展示了EFCs的基本原理以及用于EFC应用的各种碳基浆液的动力和能量密度。使用改性的AC颗粒进行材料存储显示出最佳结果。图5展示了电化学流动电容器的基本工作原理示意图（b）以及使用各种碳基浆液电极的Ragone图分析（经参考文献[2]许可重印）。浆液流动电极使用悬浮在电解质中的活性材料，而不是将其整合到固体电极或溶液中。这些电极在各种流动电化学系统中得到广泛应用。维持稳定的悬浮状态至关重要，因为颗粒间的相互作用能够实现有效的电化学反应[1, 136, 137]。颗粒分散程度不仅影响电化学行为，还决定了浆液的流变特性。流变行为受活性材料、电解质和导电添加剂的比例控制。浆液的导电性和EDLC性能与活性材料的表面积和孔隙率密切相关。球形AC由于其均匀性和能够形成连接良好的多分散团聚体而提供了改进的电化学和流变特性[128]。使用纳米结构颗粒、表面功能化（例如氮掺杂）或氧化还原活性添加剂（如氢醌[138, 139]）可以进一步提高性能。分散良好的浆液通常表现出非牛顿行为，而分散不良或聚集的系统则表现出seudoplastic或剪切变稀特性[140]。由于固体颗粒和液体介质之间的密度差异，重力引起的沉积是一个常见问题，特别是在高浓度浆液中。沉积和聚集会通过破坏颗粒间和颗粒与电流收集器之间的相互作用来降低电荷传输效率。这些变化还会随时间改变浆液的粘度和电导率[136, 141, 142]。研究表明，增加浆液浓度可以提高导电性，但也会加速沉积，形成沉淀的颗粒网络，影响电荷传输[140, 141]。颗粒大小对浆液电极的流体力学和电化学性能起着关键作用，直接影响堆积密度和内部电阻。在标准的流动电极中，较小的碳颗粒（约10 µm）被电解质携带并随其流动。这些系统通常表现出较低的沉积率和较低的阿基米德数（垂直流动时约为0.001），其中粘性力占主导地位。这导致了稳定的悬浮状态，但堆积密度较低[143]。相比之下，流化床电极（Fbed-CDI）使用较大的球形碳珠（> 100 µm），通常范围在125–250 µm（例如TE-3活性炭珠）[144]。流动方向与重力相反，较大的颗粒尺寸增加了重力，使阿基米德数达到或超过1。这增强了颗粒沉降，导致堆积密度增加，改善了堆积密度和颗粒间的接触。尽管在较高浆液浓度下沉积趋势增加，但Lewis和Rasmussen[145]以及Ramalingam[146]的研究证实，106–150 µm大小的颗粒的沉积率与理论预测相符。通过将电极放置在沉淀的浆液中进行的导电性测量进一步表明，较大的颗粒可以在堆积床内保持足够的导电性，从而在保持充分接触的情况下最小化内部电阻。表4总结了实验研究中考察的基于浆液的电极系统的关键设计因素。通道几何形状在决定流动特性和堵塞倾向方面起着关键作用，这些直接影响到浆体的导电性。此外，表4列出了在可扩展能源存储系统（如超级电容器、流动电池和海水淡化装置）中应用的各类流动电池设计的配置和组件。然而，操作参数（如流速）对电性能的影响仍在研究中。理想情况下，流动电池应促进平稳流动并尽量减少阻力，同时增强界面接触以促进离子传输。
表4. 浆体流动电极在能源存储和电力系统应用中的用途
| 通道几何形状 | 通道长度 | 通道宽度/直径 | 电流收集器材料 | 浆体浓度（wt.%） | 粒子大小 | 粒子属性 | 流速（mL min−1） | 使用的泵类型 | 主要特点 | 应用 |
|-------------------|-------------|-------------|-------------------------|-------------|------------|-----------|-----------|------------------|----------------------|
| 弯形柱状 [147] | 68 | 1 mm | 不锈钢（SS） | 5 | 8.8 µm | SSA = 3263 m2 g−1 | | FCDI淡化技术，克服静态CDI电池的限制 |
| | | | | | | | | | |
| 矩形 [130] | | 10 mm | 石墨 | 10 | | SSA = 1614 m2 g−1 | | 压力泵；碳电极具有与粘合碳片电极相似的单位质量比电容 |
| | | | | | | | | | |
| 矩形 [148] | 30 | 5.3 mm | 石墨 | 15 | | SSA = 1400 m2 g−1 | 注射泵 | CapMix系统使用流动电极提供连续能量，混合效果更好 |
| | | | | | | | | | |
| 矩形 [144] | 112 | 20 mm | 石墨 | 20–35 | 125–250 µm | 0.5–1.5 | 压力泵 | 流动电极可溶性碳重量百分比显著提高（从约20%升至35%），从而改善电荷渗透 |
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| 曲线蛇形 [149] | 830 | 3 mm | 石墨 | 1 | | BET表面积 = 755.3 m2 g−1 | 压力泵 | FCDI技术在淡化中取得重大进展 |
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| 曲线蛇形 [150] | 30 | 2 mm | 石墨 | 5–35 | SSA (m2 g−1) = | | AC=3020, AC-N=1064, AC-S=1638 | |
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| 曲线柱状 [151] | 44 | 2 mm | 石墨 | 20 | SSA = 1301.3 m2 g−1 | | FCDI技术用于淡化 |
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| 矩形 [152] | 120 | 10 mm | SSA = 40 m2 g−1 | 250 | 压力泵 | 使用MWCNT浆体电极可提升电池充放电性能 |
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| 矩形 [127] | 39 mm | 6 mm | 双层不锈钢/石墨箔 | 14 | | 0–10 | 注射泵 | 电化学流式电容器 |
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| 矩形 [141] | | 2.6–4.1 cm | 不锈钢 | 5–15 | 15–35 µm | 0–240 | 压力泵 | |
通道长度、通道宽度/直径、电流收集器材料、浆体浓度（重量百分比）、粒子大小、粒子属性、流速（毫升每分钟）、使用的泵类型以及主要特点和应用领域分别对应表格中的不同数值和描述。
其他基于悬浮液的系统，如FCDI和半固态流动电池（SSFBs），以及电化学流式电容器（EFC），作为一种创新的基于悬浮液的电化学储能装置，正吸引着越来越多的关注[155-157]。EFCs为传统的固态超级电容器和电池提供了有前景的替代方案，克服了循环稳定性受限、能量和功率密度低以及设备成本高等关键问题。EFC系统主要由两部分组成：流动电池和基于悬浮液（或浆体）的电极。电解质中含有均匀分散的活性材料和导电添加剂，共同构成了流动电极。由于碳基活性材料具有较大的表面积、高导电性以及形成渗透网络的有效能力，因此被优先用于EFC系统[128, 139, 158-160]。悬浮液中的固体含量（包括活性材料和导电添加剂）会根据碳材料的形态而变化，尤其是在流动性的限制条件下。例如，与20–23重量百分比的活性碳负载相比，负载23重量百分比碳珠的浆体显示出粘度的显著降低[128]。碳纳米纤维（AC）具有较大的表面积，且比其他碳材料更具成本效益，因此在基于悬浮液的EFC系统中更为经济。
活性炭材料的激活过程是本综述的重点。从材料科学、化学工程和应用能源研究的角度出发，本文探讨了合成技术、孔结构和表面化学对性能的影响，以及活性炭在超级电容器和氢存储中的实际应用。此外，还讨论了与可扩展性、性能优化和长期耐久性相关的挑战，并强调了创新解决方案和新兴趋势。综述旨在填补现有知识空白，为可持续能源技术的未来发展提供支持。实际应用中采用两种激活方法：化学激活和物理激活[163, 164]。化学激活通常在400°C至700°C的温度范围内进行，其中脱水剂（如磷酸、氯化锌和氢氧化钾）与碳前驱体反应以增强孔隙率和表面积。根据酸碱理论和激活机制，不同的化学试剂作为激活剂促进所需结构和纹理特性的形成。这些试剂可分为碱性、酸性、 중性和自我激活类型。它们通过与碳前驱物中的纤维素、半纤维素、木质素或多糖相互作用，影响后续应用所需的激活路径[165]。碳纳米纤维的多孔结构是通过孔创建、膨胀、结合和塌陷形成的[166]。相比之下，物理激活是在受控气体环境中处理碳材料，常用蒸汽、二氧化碳或它们的组合，在700°C至1100°C的较高温度下进行。虽然蒸汽和氮气被认为能改善碳化条件，但二氧化碳对提高材料孔隙率的影响较小[167]。在此过程中，碳样品在氧化气氛中“烧灼”，促进多孔结构的生长和表面积的扩展，同时去除热解产生的不需要的挥发性副产物。烧灼过程的持续时间和温度是影响激活质量的关键参数。过度激活可能导致碳颗粒变得脆弱、密度降低和孔隙分布不规则。物理激活常用于诱导碳的结构和物理变化，从而提高活性材料的比表面积。与物理方法相比，化学激活具有多个优势，包括更短的激活时间、更低的温度、形成具有高表面积的明确定义的微孔以及有效去除杂质。然而，由于所使用化学物质的潜在腐蚀性，后激活清洗过程可能具有挑战性[167-169]。
活性炭材料在能源存储和氢存储系统中的进展得到了综述的全面覆盖。综述结合了材料科学、化学工程和应用能源研究，探讨了合成技术、孔结构和表面化学对性能的影响，以及活性炭在超级电容器和氢存储中的实际应用。此外，还讨论了相关挑战，如可扩展性、性能优化和长期耐久性，并强调了创新解决方案和新兴趋势。通过这种方式，旨在缩小现有知识差距，为可持续能源技术的未来发展提供支持。在化学激活过程中，通常在400°C至700°C的温度下使用酸或碱作为激活剂[163, 164]。化学激活过程中，氢氧化物（X = Na/K）的还原和碳（C）的氧化会产生一些中间副产品[170]。也有研究指出，氧化还原反应机制主导了整个反应过程，而氢氧化物并未起作用[16, 17]。化学激活的一般过程可以用方程（1）表示，其中碳酸盐与相应的Na或K金属反应生成氢气[170]。碳纳米纤维的多孔结构是通过孔的创建、膨胀、结合和塌陷形成的[166]。物理激活则是在700°C至1100°C的温度范围内，使用蒸汽、二氧化碳或它们的组合对碳材料进行处理。虽然蒸汽和氮气能改善碳化条件，但二氧化碳对提高材料孔隙率的影响较小[167]。在这个过程中，碳样品在氧化气氛中“烧灼”，促进多孔结构的生长和表面积的扩展，同时去除热解产生的不需要的挥发物。燃烧过程的持续时间和温度是影响激活质量的关键参数。过度激活可能导致碳颗粒脆弱、密度降低和孔隙分布不规则。
在物理激活过程中，通过二氧化碳处理碳材料来获得更大的可接触面积[159]。Boota等人[159]在1000°C下使用二氧化碳处理1小时，激活后表面积增加了三倍。通过乳液聚合和二氧化碳活化得到的碳纳米球（孔径大于50纳米）比宏观碳球有更好的性能[174]。当激活温度在600°C至900°C之间变化时，表面积可以从608 m2 g−1增加到1576 m2 g−1，同时保持6小时的激活时间，从而在静态和流动条件下改变表面面积和离子传输速率[139, 175]。
在椰子壳前驱体的激活过程中，KOH与椰子壳的混合比例在3.5–4.0之间时，表面积可增加到2800 m2 g−1，这一增益在700°C至800°C的温度范围内观察到。尽管KOH激活通过部分气化作用主动增加表面积并扩展孔隙高度，但较高的KOH浓度也会导致孔壁的破坏，从而降低孔隙率[176, 177]。KOH激活还有助于提高孔隙率（微孔和中孔体积）以及表面积（13至212 m2 g−1），使比容量提高60倍，但电流密度略有下降[178]。Yoon等人[178]报告在700°C激活温度下得到几乎相同的表面积，而在800°C激活30分钟后，表面积有所增加。随后，在800°C和850°C的激活温度下，分别获得了439 m2 g−1和587 m2 g−1的表面积。然而，表面积和孔隙体积并不总是同时增加，因为它们受激活温度的影响。例如，碳球在激活温度约为1000°C时，表面积从517 m2 g−1增加到1157 m2 g−1[159]。图7显示了不同激活温度下活性炭纳米纤维的表面积和激活产率[178]。对于在约700°C下激活的碳化材料，其电吸附行为呈现线性关系。在椰子壳基碳材料的激活过程中，700°C下H2吸收率为2.01 wt.%，并在该温度下保持30分钟激活后，H2存储率为1.87 wt.%；而在900°C下激活30分钟后，H2存储率略有下降。
激活过程的效率取决于多个参数，包括悬浮电极的组成和添加剂的精确平衡和组合。在水基浆料中，流变改性剂在调节和维持所需的流动性能方面起着至关重要的作用[181]。基于其良好的电容和流变特性，水性电解质（KOH）可以被添加到浆料中，以实现高达23%的固液比例[128, 182]。此外，制备好的浆料的粘度和沉降性是确定流动行为的重要前提条件[141, 183]。Kastening等人[184]报道了含有不同孔径石墨的悬浮系统的电容情况，这些石墨的粒径范围从10到20毫米。研究结果表明，粒径对悬浮系统的电容没有显著影响。相反，电容与活性材料的比表面积呈正相关[184]。悬浮在硫酸中的高比表面积石墨产生了150 Fg^-1的电容（充电电极为1.14 V相对于SHE，扫描速率为0.5 mVs^-1），而在半电池研究中，8.8 m^2 g^-1的石墨粉末仅产生了3 Fg^-1的电容[184]。碳材料的电化学性能在很大程度上取决于其比表面积和孔隙率。这些性质对于储能至关重要，因为它们有助于在电极-电解质界面形成电化学双层[142, 185, 186]。碳的表面化学性质与它的比表面积和孔径尺寸一起，对其电化学性能有着重要影响。研究表明，碳材料上的杂原子（包括氧[187]、氮[188]、磷[189]和氯[190]以及其他官能团）是有益的，因为它们可以显著提高赝电容并改善电解质的润湿性，从而优化电化学性能。此外，活性炭的排列方式和电极的电化学性质在决定锂离子电池的性能方面也起着关键作用[191]。此外，球形活性炭（MAST 125/250）与由各向异性活性炭组成的悬浮电极相比表现出更优异的电化学性能。这两种悬浮电极都配备了2%的导电添加剂（乙炔黑）和80%的1 M Na2SO4。尽管球形活性炭悬浮液的比表面积仅高出7%（1576 m^2 g^-1对比1472 m^2 g^-1），但其电容却高出21%（86 Fg^-1对比68 Fg^-1）。这种性能差异可以归因于电极厚度内材料利用效率的不均匀性，从而降低了整体电容。对于球形活性炭悬浮液，电极结构显示出相对均匀的连接。相反，在各向异性活性炭中形成的多分散聚集体导致了显著的间隙空隙和次优的电荷渗透，使得悬浮电极内的连接性非常不规则[192]。活性炭的化学惰性由于具有较大的内部孔隙表面积（约1000 m^2 g^-1）以及在酸性溶液中的更好电极电位而变得有利[193]。基于石墨烯的超级电容器在离子液体电解质中展示了31.9 Wh/kg的能量密度和75 Fg^-1的比电容。当与有机和水性电解质配合使用时，其比电容分别增加到99 Fg^-1和135 Fg^-1。能在4.5 V下工作的高压石墨烯基超级电容器在室温下的能量密度为85.6 Wh/kg，在80°C时为136 Wh/kg[194]。相比之下，生物质衍生的活性炭提供了显著更高的比电容和更好的性能稳定性。例如，2PA-6-800超级电容器在0.1 Ag^-1的电流密度下达到了264.2 Fg^-1的最大电容，并且在较高电流密度下保持了高电容[195]。这种优异的倍率能力归因于其层次状的多孔结构和改进的表面可及性，使得生物质衍生的活性炭成为一种更稳定、成本更低且环保的石墨烯替代品，适用于储能应用。表5展示了活化参数对碳基材料的影响。此外，分析还包括了羧甲基纤维素和苯乙烯丁二烯橡胶的浓度、取代程度和粘度的影响。表5。活化参数和所报告的碳基材料的结果。样品 活化剂 混合比例 温度（°C） 时间（分钟） SBET (m2.g^-1) VMIC (cm3.g^-1) 输出 参考文献 酚树脂 KOH 1:1, 1:3, 1:5, 1:7 850 60 988 ̴1923 0.286 ̴0.585 活性介孔碳 [196] 酚树脂 KOH 1:7 — — 3870 0.82 从松木黑液中提取的LAC KOH 1:4 950 45 1946 0.707 AC粉末 [198] 碳纳米洋葱（CNO） KOH 40 mg CNO加入20 mL KOH 常温条件 60 804 1.27 活性CNO的电容几乎是原始CNO的五倍 [185] 碳纳米纤维 KOH 4:1 (g/g) 在5°C/min的加热速率下 60–300 212 0.09 活性CNF经过蒸馏水洗涤，然后过滤并在105°C下干燥 [20, 178] 果仁壳（ASS） KOH 1:4 60 720 2100 0.95 在110°C下干燥 [199] 碳纳米管 KOH 1:1和1:5 在10°C/min的加热速率下 60 644 0.984 用于EDLC的碳纳米管 [16] 微波剥离氧化石墨 KOH — 在约400托的压力下 60 3100 2.14 产物碳中具有纳米级孔洞的AC [17] 碳球的物理活化 使用CO2 — 800, 900, 950和1000 60 1157 0.72 AC样品 [159] 粘胶织物的热解 CO2活化 — 1000 1200 ̴1500 — — [8] 椰子壳 KOH 1:1 ̴ 1:5 700 ̴900 120 1000 ̴2700 0.5 ̴2.2 AC样品 [177] 草莓木 在823 K下，在1000 mL/min的氮气流中处理2小时 1:4 800 120 2623 0.72 AC样品 [200] 咖啡豆废弃物 KOH 1:1至1:5 850 120 780–2070 1.2 多孔AC材料 [201] 富氮生物质大豆 经氮掺杂的KOH 1:0至1:3 在3°C/min的速率下 120 678.6 ̴1749 — 氮掺杂的层次状微介孔活性炭 [202] 含29%灰分的新疆无烟煤 ZnCl2和KOH 1:1 在6°C/min的升温速率下 500 60 1471 ̴1851 0.57 ̴0.75 活性产物用HCl反复洗涤至pH值为7 [203] 4.2 活性炭的合成路线 AC的合成主要可以分为传统方法和先进方法。传统方法包括化学活化、物理活化或两者的结合。而先进方法包括一步合成、溶热法、微波辅助辐照和水热碳化[63, 204-211]，以及人工神经网络（ANN）技术[212]。传统的合成方法通常涉及选择适当的前驱体，然后进行物理活化或化学活化，或者两者的组合。这个过程包括碳化和活化，可以通过单步或两步方法完成[213-217]。一步活化方法将碳化和活化结合为一个同时进行的过程，而两步方法则将它们分开进行，碳化发生在活化之前。比较研究表明，一步法通常会产生具有更高碳保留量、更大比表面积和更大微孔体积的活性炭[215, 216]。与物理活化相比，一步化学活化技术产生了更多的表面变化，并需要特定的孔结构[218, 219]。标准的碳化过程通常包括在受控或惰性气氛中将起始材料加热到超过300°C的温度。然而，所需的确切温度可能取决于所使用的前驱体类型。这种方法可以将生物质和非生物质材料转化为碳化产物。关键因素如碳含量、碳化程度以及最终碳材料的结构无序度取决于碳化的最终温度以及前驱体的性质。图8a概述了从不同前驱体生产AC的不同路线，而图8b展示了煤的蒸汽活化过程。所生成的AC的性质受到原始前驱体中挥发性物质的影响。Şentorun-Shalaby等人[221]的研究探讨了前驱体中的硫含量如何影响最终AC的属性。来自杏核的AC，其粒径在1到3.35毫米之间，硫含量仅为0.04%，达到了1092 m2 g^-1的峰值BET表面积。图8（在图查看器中打开） (a) 来自不同生物质前驱体的AC合成途径概述，(b) 煤的蒸汽活化示意图（经许可修改并重新印刷自参考文献[220]）。影响成品材料质量的另一个重要因素是碳化步骤中的温度。根据Tripathi等人的研究[222]，当热解温度降低且停留时间和所需的低加热速率增加时，生物炭的产率会上升。Kyzas等人[223]研究了来自土豆皮的AC。通过在400、600和800°C下加热，并使用H3PO4作为活化剂，制备了三种不同的样品。比较这些样品的表面积时，600°C下加热的样品表现出最高的表面积。相比之下，高温下处理的样品的表面积小于1 m2 g^-1。Köseoğlu和Akmil-Başar[224]的研究探讨了橙皮活化受处理温度的影响。活化温度在500°C到1000°C的范围内进行测试。所得AC的碳含量为70%，使用K2CO3活化的AC的BET表面积分别为1352 m2 g^-1和1215 m2 g^-1。此外，K2CO3和ZnCl2活化过程都显示出随着温度的升高，AC产率有所下降。使用KOH在600°C–800°C下活化松子壳，以尿素作为氮源，制备了三维分级多孔碳（图9a）[225]。图9b–d展示了在不同活化温度下氮掺杂多孔碳的微观形态。在600°C时没有孔结构，表明活化不充分。在700°C时形成了发达的多孔网络，具有许多微孔和介孔，提高了电化学效率并促进了电解质离子的传输。然而，在800°C时结构发生了破坏，导致不稳定和电化学反应性能不佳。图9（在图查看器中打开） (a) NPC-x的制备示意图，(b–d) 制备的NPC-x的SEM图像：(b) NPC-600，(c) NPC-700，(d) NPC-800（经许可修改并重新印刷自参考文献[225]）。活化时间、碳化温度和加热速率在决定AC的质量和产率方面起着关键作用[226, 227]。Wang等人[212]研究了关键参数（包括活化温度、持续时间和蒸汽与炭的比例）对从各种原材料合成AC的影响。此外，他们开发了一个先进的ANN模型来更准确地预测AC的产量。他们的发现表明，氧浓度、活化温度和CO2/炭的比例是影响AC产量和表面积的关键因素。Rashidi等人[228]结合了ANN和自适应神经模糊系统（ANFIS）的混合方法，研究了制备参数对本地来源的无烟煤衍生AC质量的影响。ANFIS模型确定活化剂比例、活化温度和活化时间是控制活化过程的最关键因素。Liao等人[229]开发了多层前馈ANN模型，显示出出色的准确性和与实验结果的高度相关性。4.3 孔径大小 碳的粒径在决定浆料的电化学性能和速率处理能力方面起着至关重要的作用。它影响碳粒子内的离子扩散距离，并影响粒子体积对电解质离子的整体可及性[230]。随着初级粒径的减小，流变参数和导电性的大小也会增加。较小的孔需要更多的离子通过电极来完全充电设备，从而降低充放电速率[231]。孔径大小还影响功率密度。此外，孔径大小、曲折度和长度以及形状都会影响电容器的电阻，从而影响其功率密度[2, 142]。为了实现双层电容，孔径必须足够大以允许离子进入。同时，实际应用需要体积电容，这要求高碳密度[190, 232]。碳结构中的孔径大小用于对其进行分类[233-235]。为了保证高密度和巨大的表面积，最佳孔径应该既小又要足够大，以允许离子通过[235]。理论上已经建立了高有序多孔碳材料的氢存储容量与超微孔体积之间的线性关系，特别是那些直径小于0.7 nm的孔[236, 237]。活性炭（AC）是一种由富含碳的有机材料制成的碳质物质，这些材料包括椰子壳、木材、煤炭、泥炭等。根据其形状和大小，活性炭可以被归类为颗粒状、粉状或颗粒状。如图10a所示[238]，活性炭中含有发达的微孔（小于20 Å）、介孔（20至50 Å之间）和大孔（大于50 Å），并且其结构中还包含各种表面官能团。电解质的离子以水合状态存在于水溶液中。水合电解质中的离子体积较小，被水包围，可以轻松进入介孔和一些微孔。它们低粘度和高极性使得离子移动迅速，并与孔隙表面发生强烈相互作用，从而增强电荷存储能力[84, 240]。所需的最低孔径应大于15 Å，因为水合离子的尺寸通常在6–7.6 Å范围内。通过使用直径通常在30至50 Å之间的孔径，可以优化双重电容器（EDLC）的电容[241-243]。在大孔中（>50 Å），水合离子与表面层的相互作用较弱，对总电容的贡献较小。介孔（2–50 nm）可以作为电子传输通道，而微孔主要通过确保较大的有效表面积（SSA）来贡献电容。多项研究表明，具有良好微孔、介孔和大孔比例平衡的材料（图10b）能够产生更多的离子传输路径，从而促进扩散和电荷存储[239]。
(a) 活性炭表面的孔结构及其化学功能的概述。箭头指示结构内的不同类型孔[238]，(b) 柔性超级电容器的优异性能源于具有良好孔结构电极，其中微孔、介孔和大孔提供了互连的通道，以实现有效的离子传输和存储[239]（经参考文献[238, 239]许可修改并重印）。相比之下，有机电解质通常具有较大的离子和较为庞大的溶剂，这限制了离子进入狭窄孔隙，并由于粘度较高和极性较低而减慢了离子传输速度。然而，它们提供了更高的工作电压优势，从而可以提高总体能量输出[244, 245]。几项全面的综述探讨了用于生产活性炭的活化剂机制[19, 23-26, 29]。这些高表面积的活性炭在0–2.7 V的电位窗口内，在有机电解质中实现了高达160 F·g⁻¹的比电容。为了比较相同煤基多孔碳电极在不同电解质中的性能，明确研究了关键指标。在水合电解质中的最大比电容值为190 F·g⁻¹，在有机电解质中为93 F·g⁻¹，这突显了电解质组成对电荷存储的影响。水体系由于具有更好的离子导电性而提供了最高的电容。相比之下，尽管有机体系的电容较低，但它支持更宽的电压窗口（高达约2.7 V），并提供了23.3 W·kg⁻¹的最大能量密度和13.7 kW·kg⁻¹的功率密度，反映出更高的充放电效率和较低的ESR。此外，基于煤炭的囊式电容器（100 F/2.7 V）在10,000次循环后仍保持了4.5 W·kg⁻¹的重量比能量和736 W·kg⁻¹的可用比功率，其性能优于或在可比较条件下与商业100 F/2.7 V设备相当[2]。在水基PVA/KOH中，对称装置的比电容在2 A·g⁻¹时达到135.3 F·g⁻¹，能量密度为75.2 W·kg⁻¹，功率密度为1538.4 W·kg⁻¹，在20 A·g⁻¹时经过10,000次循环后仍保留了81.9%的容量。而使用有机电解质（乙腈+1 M TEABF₄）时，相同材料在1 A·g⁻¹下提供了42.3 F·g⁻¹的比电容，能量密度为39.7 W·kg⁻¹，功率密度为1300 W·kg⁻¹，并且电压窗口扩展到约2.5 V，尽管电容较低，但仍显示出较低的ESR和改善的充放电效率[3]。Khomenko等人[31]比较了两种活性炭（Maxsorb和Super 50）在有机电解质中的性能，发现表面积较大的材料容量衰减更明显。然而，超过某个点后增加表面积并不一定能提高电容[30]。虽然高表面积对于电荷存储至关重要，但必须仔细调整孔径和结构。直径接近电解质离子大小的孔隙显示出更高的电容[33]。有趣的是，研究还表明离子可以进入比其溶解尺寸更小的孔隙，这突显了优化活化过程的重要性[34]。KOH的浓度是决定电化学可接触表面积和孔结构的关键因素[20, 185]。如图11a所示，对于给定体积的碳纳米管，所需的KOH量与KOH浓度成线性增加，导致孔体积从0.8 cm³/g显著增加到1.27 cm³/g。此外，图11b显示活化后的CNOs具有较大的孔径分布，包括微孔（<2 nm）和介孔（3–100 nm），以适应较高的电容和离子传输路径。值得注意的是，在活化CNOs的背景下，Gao等人[185]指出，当KOH浓度达到7 mol·L⁻1时，孔结构会恶化。使用KOH与CNT比为5:1的活化碳纳米管（ACNTs）显著提高了其比表面积，几乎将其从166 m²·g⁻¹增加到344 m²·g⁻¹。如图11c所示，这种用水合KOH进行的活化过程显著将孔径从10.9 nm减少到5.5 nm。此外，ACNTs的孔体积随着KOH/CNT比的增加而从活化前的0.450 cm³·g⁻¹增加到3:1时的0.984 cm³·g⁻¹。然而，进一步增加KOH/CNT比会导致孔体积下降。随着KOH/CNT比的增加，ACNTs的平均孔径也逐渐减小。活化前，平均孔径为10.9 nm，但在KOH/CNT比为5:1时降至5.5 nm。这表明在KOH活化过程中生成的孔径比原始CNTs的孔径小得多[13]。关于电容器的研究表明，微孔（约0.7–2 nm）和超微孔（小于0.7 nm）以及小型介孔（2–50 nm）为EDL中的高效质量传输创造了理想条件[174]。
(b) CNOs的BET表面积和孔体积作为KOH浓度的函数[185]，(c) 通过DFT分析不同KOH浓度活化后的CNOs的孔径分布[16]（经参考文献[16, 185]许可修改并重印）。然而，许多研究表明，在0.7 nm大小的孔中具有 advantageous 的气相氢吸附性能，这是合理的，因为考虑到氢分子的尺寸。富含微孔的碳材料可以提高电容。当孔径小于溶解电解质中的离子大小时，溶剂化壳层会发生变形，使离子中心更接近电极表面，从而大大增加电容[246, 247]。介孔形成低抵抗力的离子通道，改善了电解质对微孔的接触。较大孔（>3 nm）形成了多孔网络，从而加快了充电速度，从而提高了功率密度[248]。可以合理假设，为了实现有效的电吸附，这两个类型的孔需要同时起作用并彼此靠近。较大传输孔与较小微孔的排列对于有效的氢沉积至关重要，其中前者作为主要传输孔，后者作为存储孔。这种有益的孔结构通常存在于非晶或细晶碳中，这些碳具有高孔隙率，其特征是在石墨烯层之间形成了众多小孔。通过设计具有所需形态的人工前体或选择具有适当结构特性的天然前体，可以开发出具有混合类型孔隙率的高孔隙率碳[236, 237, 249]。提高氢电吸附能力的关键因素包括高度发达的孔表面和特定的孔径分布，特别是具有大量小于0.8 nm的孔。高孔隙率的存在，包括大微孔和小介孔，显著增强了反应物和产物的传输，从而提高了电化学电荷存储性能。分析是在直径从9 µm到500 µm的碳珠上进行的。研究结果表明，粒径为125–250 µm的中等大小珠子表现出最 advantageous 的电化学和流变性能[128]。因此，通过使用具有高比表面积和合适孔径分布的碳电极来开发具有提高的能量和功率密度的超级电容器是至关重要的。结果表明，化学诱导的孔隙率促进了电极表面的电荷和放电过程[13]。介孔增加了离子可接触的表面，而微孔增强了活化CNOs的电容[185]。此外，据信水合电解质可以通过电化学方式进入大于0.5 nm的孔[250]。最近的发现表明，可以获得亚纳米孔，具体范围在0.65–1.01 nm之间。此外，峰值电容似乎与平均孔径0.7 nm相关，这与脱溶剂离子的尺寸相符[67, 68, 246, 247]。此外，碳浆料的性能和电荷传输效率会受到颗粒间连通性的不利影响。通过优化碳珠的尺寸和负载可以解决这个问题；然而，必须在流动性（在低固液比时最优）和电荷传输效率（在高固液比时最关键）之间取得平衡。较小的碳珠会提高流动性并增加颗粒接触，尽管更倾向于紧密的颗粒尺寸分布以减少颗粒对流[182]。离子必须通过微孔吸附并通过介孔快速移动以接触到大部分物质。因此，预期具有高比表面积和良好微孔或介孔分布的纳米结构碳将提供最佳性能。尽管文献中有许多尝试，但促进最佳离子吸附的微孔的确切尺寸仍不清楚[235, 251]。孔径必须足够大，以允许离子进入，因为双层电容是仅由孔的可接触表面产生的。体积电容需要高碳密度，这对于实际应用至关重要[252, 253]。最佳孔径必须在保证离子可接触性的同时兼顾高密度和广阔的表面积要求，因为较大的孔径通常会损害这些 latter 属性。使用蔗糖水溶液作为碳前体，可以在模板碳中生成丰富的超微孔。去除水分和蔗糖的广泛热分解有助于增加微孔隙率，从而产生总表面积显著高于原始模板的碳材料。此外，从蔗糖水溶液中获得的有序多孔碳表现出超过2.7 nm的显著介孔尺寸[237]。Vix-Guterl等人[254]建议，适度宽的孔径范围对于实现最佳频率响应至关重要，理想孔径约为0.7 nm，以增强电流负载。实验和理论研究都证实，微孔在确定氢吸附能力方面起着关键作用。大正则蒙特卡罗（GCMC）模拟进一步表明，室温下氢吸附的最佳孔径小于1 nm[254]。最佳电容在平均孔径为0.7 nm时获得，这与脱溶剂离子的尺寸相符。最近的研究表明，还可以达到0.65至1.01 nm范围的亚纳米孔[246, 247]。这些狭窄的孔被认为可以容纳脱溶剂离子而不是溶剂化的离子。这一概念表明，超过0.65 nm的孔不太可能有效，因为它们对于脱溶剂离子来说尺寸不足。然而，迄今为止还没有提供具体的证据。模型材料中缺乏具有这种小孔和单一分布的碳可能是其中一个重要因素[67, 68]。AC样品的质子导电性随着孔隙率的增加而提高，因为更大的酸可接触性增强了质子传导。硫酸可以渗透到最小的孔中，保留了大量的液体，从而在孔体积扩大时增强了AC电极内的质子传导。较大的孔体积允许更多的电解质存在，使质子更容易进入直径小于0.7 nm的超微孔[255]。增强的孔容进一步提高了硫酸在最深孔内的可接触性。质子导电性的提高归因于样品中能够移动的质子数量增加，这得益于孔隙体积的增大和电解质可接触性的提升[255]。离子必须通过微孔吸附，并迅速穿过介孔以接触大部分物质[256]。GCMC模拟表明，在室温下，最佳的孔径大小应小于1纳米，因为较小的孔径可以增强各种分子的相互作用和储存能力[254]。先前的研究表明，微孔显著增加了碳材料的表面积，从而提高了电极的比电容。然而，它们较低的电导率和复杂的微孔网络中受限的离子扩散导致了在高电流密度下的性能不佳，这限制了它们在高功率储能应用中的使用[186, 189, 257]。与传统的插层系统不同，在这些系统中固态扩散是影响速率的主要因素，而在氢储存方面，表面吸附可能会成为阻碍。此外，固态扩散还受到界面电阻的限制。粒径也会影响比电容，因为较小的颗粒通常提供更好的可接触性和更快的扩散速度[258]。先前的研究表明，微孔显著增加了碳材料的表面积，从而提高了电极的比电容。然而，由于在复杂的微孔网络中电导率低和离子扩散受限，它们在高功率储能中的应用受到限制。因此，开发具有优异速率能力和高功率密度的材料至关重要。在创建结合了大孔、介孔和微孔的层次化多孔碳材料方面已经取得了显著进展。这些材料有效地满足了优异的速率能力和增强电容性能的需求，使其适合用于先进的储能应用[257, 259, 260]。大孔充当离子缓冲库，促进电解质离子在短距离内的快速扩散，而介孔则增强了进入整体材料的离子传输，从而提高了微孔的可接触性。然而，碳基材料中过多的大孔和介孔存在会导致比表面积的减少。在层次化多孔碳材料中，实现微孔、介孔和大孔之间的最佳平衡对于最大化电容和速率能力至关重要[261]。
4.4 BET表面积
较大的孔隙体积和较高的BET表面积通常与增强的氢储存能力相关[262, 263]。然而，对于BET表面积超过2000平方米/克的材料，氢储存能力的提高是有限的。这是因为在常温下，H2分子在材料表面的覆盖程度远低于77K时的情况。因此，仅仅专注于开发具有较大表面积的材料并不明智。Boota等人展示了在950°C和1000°C下活性炭球体的形态变化，随着活化温度的升高，碳材料的表面积也会增加[159]。这一趋势表明，高温有助于形成更复杂的孔结构，从而增强材料的表面积。尽管由于不同活化温度导致表面积有所变化，但所有样品的孔隙体积保持一致，除了在1000°C下活化的碳样品。活化过程打开了之前閉合的孔隙，形成了相互连接的介孔和微孔网络，显著提高了表面积。未活化吸附剂的BET表面积和孔隙体积最初分别为517平方米/克和0.31立方厘米/克。在1000°C活化后，这些值显著增加到1157平方米/克和0.72立方厘米/克，证明了活化过程在提高材料孔隙度方面的有效性[159]。图12a展示了含有30%重量PVDC（粘合剂）和原生单壁纳米管（SWNTs）的电极的SSA（比表面积）和平均孔径随热处理温度（30分钟）的变化情况。随着活化温度的升高，平均孔径减小并趋于稳定，而比表面积增加。在1000°C时，比表面积达到357平方米/克。然而，这个值仍低于多壁碳纳米管，后者的表面积为430平方米/克，表明尽管活化温度提高了表面积，但仍不如碳纳米管[264]。图12b所示的孔径分布更为重要。原始样品在较小孔径（约20埃）处的分散程度较低，峰值出现在150埃。随着热处理温度的升高，较小孔径的数量增加，在1000°C时达到峰值。相比之下，50-250埃范围内的孔径数量减少，表明高温促进了更细小孔的形成，同时减少了中等孔径在材料中的比例[174]。
（a）通过BET测得的SWNT电极的比表面积和平均孔径随热处理温度的变化[174]，（b）SWNT电极的孔径分布[174]，（c）ACNTs的比电容与BET表面积之间的关系[13]（经参考文献[13, 174]许可转载）。碳材料的SSA理论上影响其电容。然而，实际上情况更为复杂[251, 265-267]。这一基本原理在实践中经常被严重违反。这些影响性能的变量以复杂的方式相互作用，它们的综合效应可能导致与预期理论行为的偏差[250, 251, 265-270]。图12c展示了ACNTs的比电容与其BET表面积之间的线性关系。由于ACNTs使用相同的前体和方法合成，它们的表面化学性质应该是相似的。每种ACNT都表现出高导电性（>11西门子/厘米），在50毫安/克的电流密度下，放电开始时的电压变化很小。ACNTs的孔径足够大，允许离子进入，平均孔径超过5.5纳米。因此，双层电容是总表面积的结果，使得ACNTs的电容依赖于其表面积，这与理论上的平板电容器模型一致。然而，Choi和Ryoo[271]通过精确的重量测量证明，即使在10兆帕的超压下，碳材料中氢的物理吸附也更接近于微孔体积或BET表面积。大约1重量百分比的氢可以被碳材料吸收，包括那些BET表面积超过3000平方米的材料，这是通过KOH活化实现的[271]。K2CO3活化聚丙烯酰胺水凝胶前体可以获得前所未有的3038平方米/克的表面积，比电容为313.3法拉/克，循环保持率为97.5%，证明了在保持优异电化学性能的同时达到超高SSA目标的可行性[272]。通过CO2吸附等温线计算表面积，该等温线考虑了小于0.8纳米的微孔，揭示了与其他作者报告的结果相符的线性依赖性[4, 273-275]。
4.5 反应动力学
吸附焓在氢储存领域引起了相当大的兴趣，这得益于创新材料和概念的不断进步[276-278]。氢储存材料的发展面临着重大挑战，尤其是在充电过程中产生的过多热量，这需要额外的能量来释放氢，特别是在基于化学反应的材料中。相比之下，物理吸附材料在常温条件下的氢储存能力通常较低，因为它们的吸附焓较低。要实现显著的储存能力，需要在材料上保持高密度的氢分子，这通常需要低温条件。此外，AC材料的热稳定性和相行为对其在现实世界应用中的性能至关重要，特别是在极端环境条件下。在零下温度下，由于电解质粘度增加或冻结，离子传输的效率可能会下降，从而可能限制充放电动力学。在寒冷气候下稳定运行，保持可访问的孔网络和选择低冰点电解质是必不可少的[67]。相反，在高温下，长时间暴露可能导致碳网络的结构退化，特别是在合成过程中过度活化或烧毁时。这些条件可能导致微孔结构的崩溃、机械完整性的降低或表面官能团的丧失，最终影响电容和循环稳定性。最近的研究表明，900°C以上的热处理可以提高导电性和孔隙度到一个最佳点，超过这个点后，热应力可能会导致性能下降[67]。因此，评估AC材料在广泛温度范围内的行为对于设计坚固的储能系统至关重要。AC材料以及其他多孔材料如碳和金属有机框架（MOFs）以其高表面积和潜在的低温氢储存能力而闻名。然而，本讨论特别关注AC材料，因为它们的特性和反应动力学与MOFs和碳纳米管有显著不同。对包括AC在内的60多种碳基材料的评估表明，它们在室温下的可逆氢储存能力范围为0.04至0.46重量百分比[279, 280]。尽管在先进MOFs的发展方面取得了显著进展，但尚未有任何材料达到美国能源部（DOE）2020年在温和压力和温度条件下的5.5重量百分比氢储存目标。虽然这些比较提供了有价值的见解，但需要注意的是，MOFs和碳纳米管（CNTs）不被归类为AC材料，这里仅作为参考提及。AC材料的反应动力学受其孔结构、表面化学性质和活化过程的影响。例如，KOH活化碳基材料显著改变了它们的结构和导电性。图13a展示了KOH活化对不同KOH/CNT比率下活性炭纳米管（ACNTs）导电性的影响。尽管CNTs不是AC材料，但它们的活化提供了关于孔形成如何影响导电性的见解。原始CNTs的导电性为16.3西门子/厘米，但随着KOH/CNT比率的增加，由于孔网络的中断，导电性降低。同样，图13b展示了多孔材料中孔隙体积与质子导电性之间的关系。这些趋势强调了优化孔径大小和结构以平衡质子传输效率和材料孔隙度对于氢储存应用的重要性。
5 未来研究的挑战和机遇
AC材料已成为储能应用中的领先材料，特别是在超级电容器和氢储存方面。其高表面积、优异的化学稳定性和可调的孔隙度使其特别适合这些用途。在超级电容器中，由于其优越的性能，AC材料仍然是主导的电极材料。最近的研究集中在优化孔隙度、改善形貌以及引入氧化还原活性物种以进一步提高电容。同时，在氢储存方面，AC材料也被广泛研究作为一种有前景的候选材料。提高氢吸收能力的策略包括化学活化、杂原子掺杂和模板技术来设计最佳孔结构。尽管通过模板方法调整碳孔隙度方面取得了进步，以及石墨烯和碳纳米管等先进材料的出现，AC材料仍然在商业超级电容器电极中占据主导地位。这种偏好源于其成本效益、可扩展性和生产的便利性。从中长期来看，AC材料预计将继续保持其优势，尽管要实现更高的能量和功率密度，需要对纹理特性，特别是孔径分布进行精确控制。此外，降低成本的努力将是必不可少的，生物质有望作为低成本、可再生且丰富的AC材料前体发挥关键作用。活性炭（AC）因其在第二代超级电容器中的应用而受到广泛研究。这类超级电容器有望在保持循环稳定性和电动双层电容器（EDLC）特有的功率性能的同时，提升能量存储容量。这些创新配置旨在通过解决能量密度和功率密度问题，有效弥合传统电容器与电化学电池之间的差距。此外，使用水性电解质有望提高这些设备的经济和环境可持续性，相比传统的EDLC和电池更具优势。尽管这些技术仍处于开发的早期阶段，但随着材料科学（尤其是在多孔碳制造和电化学性能优化方面的）持续进步，预计将取得重大突破。
在超级电容器领域，活性炭材料表现出显著的可比电容、延长的循环寿命以及快速的充放电能力，使其非常适合需要快速能量传输和存储的应用。在氢存储方面，活性炭材料在高压低温条件下的氢吸附能力尤为突出，这对于高效利用氢燃料至关重要。然而，尽管这些技术取得了进展，但仍面临诸多挑战，例如需要提高能量密度、更好地控制孔径分布以及优化表面化学性质以进一步提升性能。克服这些挑战对于活性炭技术在商业领域的广泛应用至关重要。
活性炭在氢存储应用中得到了深入研究，但在常温下的存储容量仍低于实际应用所需的阈值。虽然优化表面面积和孔径大小等纹理属性可以提升氢吸附效果，但仅靠这些修改不太可能实现重大突破。一种改善室温下氢存储性能的有效策略是用金属纳米颗粒对活性炭进行掺杂。这种方法可促进氢分子与吸附剂之间的相互作用，从而在常温条件下提高存储效率。此外，探索将活性炭与各种高性能物质（包括金属氧化物、导电聚合物或分子筛）结合使用的复合材料，以提升整体性能也是值得关注的方向。
为了实现商业化，还需着重开发可扩展且经济高效的生产技术，这涉及使用可持续且经济的前体材料、改进制造工艺以及减少合成过程中的能量消耗。此外，进行全面的实际评估和试点规模演示，以验证基于活性炭的超级电容器和氢存储系统的有效性和持久性，并与行业合作伙伴合作，推动实验室成果向实际应用的转化。由于优化活性炭的多孔结构对于提高离子传输和气体吸附能力至关重要，从而提升其在氢存储和超级电容器技术中的性能，因此转换工艺的优化也至关重要。通过精心设计的物理、化学或联合处理方法，活性炭电极可以形成平衡的微孔、介孔和宏观孔的三维层次结构，从而获得更好的电容性能。为了在预碳化阶段之后调节活性炭的孔隙率和比表面积，改进的合成方法（如化学、物理或微波辅助活化技术）至关重要。此外，使用不同无机和有机纳米结构的试剂也可以增强活性炭的特性和功能化，这也是一种提高其经济价值的有效策略。
尽管由于活性炭具有高表面积和可调孔隙率而在氢存储方面具有巨大潜力，但仍存在一些未解决的挑战。一个主要限制是缺乏系统的实验研究来探讨表面功能如何影响氢吸附性能，特别是掺杂氧和氮等杂原子的效果。虽然理论预测表明杂原子掺杂可以通过改变碳材料的电子结构和吸附位点来增强氢吸附能力，但实验验证仍较为匮乏。在杂原子修饰中，氮掺杂引起了广泛关注，模拟结果显示其与氢分子的相互作用有所改善。尽管一些研究仅显示出金属掺杂后氢存储容量有小幅提升，但其他研究则提供了支持“溢出效应”的证据，这种现象在异相催化中已被广泛认可，但在氢存储领域尚未完全理解。为解决这一难题，等离子体处理等先进表面工程技术已成为有前景的工具。例如，Li等人研究表明，使用等离子体处理将3 wt.%的铂掺入活性炭中，比传统H₂还原法能实现更好的金属分散和更强的金属-碳相互作用，从而在 room temperature 和 100 bar 下将氢存储容量从0.3 wt.%（未掺杂）提高到0.5 wt.%（H₂还原法掺杂）和0.9 wt.%（等离子体辅助掺杂）。
总之，活性炭在氢存储方面的潜力巨大，但由于其高表面积和可调孔隙率，仍面临诸多挑战。未来的研究应聚焦于前体系统和应用参数的定制调整，以实现特定性能目标。同时，前体工程、杂原子掺杂和混合材料设计的最新进展正在逐步拓宽性能空间，有助于更好地平衡这些相互竞争的属性。这对于需要同时优化多种功能特性的电化学储能和转换应用尤为重要。这一综合视角为下一代活性炭材料的合理、平衡和应用驱动的设计提供了坚实的概念基础。
图14 展示了活性炭材料的合成、结构和储能应用之间的内在关系，强调了活性炭生产与使用对环境的影响，并提出了减少碳足迹和防止环境退化的可持续实践，包括材料的回收和再利用。通过关注这些关键方面，可以显著提升活性炭材料的性能，从而实现更高效和可持续的能源存储方案。该领域的持续研究和进展为满足日益增长的能源需求以及向更可持续的能源解决方案转变提供了重要机遇。
6 结论
本文全面探讨了活性炭材料在能源存储和氢存储系统中的进展和应用，重点研究了其结构、化学和电化学性质。文章分析了材料结构、合成方法和电化学性能在优化储能应用中的作用，并强调了几个关键发现和见解。
文章详细介绍了活性炭材料的合成方法，包括传统的化学活化（如KOH、ZnCl₂）和物理活化（如CO₂、蒸汽）方法。化学活化，尤其是使用KOH，显著提高了活性炭材料的表面积和孔隙率，可实现超过2000 m²/g的表面积。活化过程对于调控孔径分布至关重要，这直接影响材料在储能应用中的性能。活性炭材料的氢存储潜力得到了深入评估，结果显示高表面积（≥3000 m²/g）和优化介孔结构的材料在低温下的氢吸附能力可达6 wt.%。然而，在常温条件下，这些值显著下降，通常低于1 wt.%，这使得室温存储成为实际应用的关键挑战。文章还讨论了表面化学性质和掺杂杂原子（如氮、磷）对氢存储能力的影响。基于活性炭的超级电容器的电化学性能也被定量分析，其报告的比电容值范围为100至250 Fg⁻¹。研究表明，活性炭的高表面积、可调孔隙率和优异的导电性有助于其高电容、快速充放电循环和长寿命。与过渡金属氧化物的复合使用可进一步提升电容至300 Fg⁻¹以上，相比传统碳基超级电容器具有更高的能量密度。然而，基于活性炭的超级电容器的能量密度仍限于5–10 Wh/kg，远低于锂离子电池（150–200 Wh/kg），这限制了其在长期储能应用中的潜力。文章强调了孔径分布在储能应用中的作用，指出最佳氢吸附发生在微孔（约0.6–1.2 nm）中，而超级电容器充电存储受益于介孔（2–5 nm）。具有层次孔结构的材料表现出更优的性能，有助于快速离子扩散和延长循环期间的电化学稳定性。
此外，文章探讨了活性炭在海水淡化（CDI）中的应用，其中活性炭电极表现出高盐吸附能力（最高达34.1 mg/g）。还讨论了活性炭在流动电化学系统中的浆料电极应用，揭示了它们在大规模储能和淡化应用中的潜力。尽管活性炭材料取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，包括提高能量密度、更好地控制孔径分布和优化表面化学性质的需求。基于活性炭的材料的稳定性和耐久性在储能应用中仍是一个关注点。虽然超级电容器具有出色的循环寿命（≥500,000次循环），但电极氧化和电解质分解等降解机制会降低长期性能。同样，对于氢存储而言，重复的吸附-解吸循环也可能导致结构退化，限制了实际应用。总之，本文强调了活性炭材料在推动能源存储和氢存储技术进步方面的变革潜力。通过利用活性炭的高表面积、可调孔隙率和优异导电性等独特性质，可以在下一代能源系统开发中取得显著进展。材料科学的持续创新和跨学科研究将有助于克服现有挑战，充分发挥活性炭材料在可持续能源未来的潜力。
作者声明没有任何利益冲突。
