一、研究背景

锌离子混合超级电容器因其高安全性、低成本及高理论容量等优势，成为可用于便携式和大规模电子设备的极具潜力的储能器件之一。然而，锌负极与传统碳材料容量不匹配使其性能得不到充分发挥。杂原子掺杂通过调控碳骨架电子结构、引入缺陷位点、改善表面润湿性等方式，成为提升碳材料电容性能的重要途径。目前，已有碳材料制备方法所获得产物多为粉末，且过程繁琐，电极制备过程中需添加黏结剂和导电剂，增加了“死质量”和界面电阻。相较而言，基于镁热反应制备的三维碳纳米管泡沫凭借其多孔互连结构、高导电性和柔韧性，在柔性自支撑超级电容器中展现出巨大潜力。然而，在镁热还原过程中同步实现杂原子掺杂仍较为困难。因此，开发简易的一步合成方法，同步实现自支撑碳纳米管泡沫的可控构筑、氮原子掺杂、表面性能调控，协同提升电极材料容量和循环稳定性，是碳基电极材料亟需解决的技术难题。

二、工作简介

针对上述锌离子混合电容器正负极容量不匹配、碳纳米管泡沫掺杂难等问题，本工作提出一种绿色、简便、可规模化的改进镁热还原策略，以CO₂为碳源、尿素为氮源，一步制备自支撑氮掺杂碳纳米管泡沫。镁热反应在双温区管式炉中进行，在高温区，CO₂被镁还原生成碳纳米管泡沫，同时，低温区域尿素热分解释放NH₃，对碳纳米管进行选择性刻蚀，同步实现造孔和原位氮掺杂，从而一步获得自支撑、多孔隙结构、氮掺杂的碳纳米管泡沫（N-CNTF）。系统探究尿素用量对碳纳米管形貌、结构、亲水性和电化学性能的影响。结果表明，添加4 g尿素的氮掺杂碳纳米管泡沫性能最优（N-CNTF-2），既能保持三维互联导电网络和自支撑结构，又具备丰富多级孔、均匀氮掺杂和良好亲水性，因而展现出最高的面积电容、优异的倍率性能和循环稳定性。

三、核心图文解析

图1 一步镁热还原法与原位氮掺杂示意图：活化炭布浸泡催化剂 → 800 ℃ 镁热还原与氮掺杂 → 样品酸洗。通过NH₃对碳纳米管的刻蚀，获得具有多级孔结构、氮掺杂、自支撑特征的三维碳纳米管泡沫。该路线无需额外活化剂，绿色可持续

图2 不同尿素用量制备的N-CNTF微观形貌与元素分布：尿素用量是调控碳纳米管泡沫形貌、孔结构和氮掺杂效果的关键参数。适量尿素可在保持碳管自支撑导电网络的同时，实现适度刻蚀和均匀氮掺杂，获得最优的孔结构，提高电解质可及性、加速电荷转移动力学，并增强整体电化学储能性能。尿素过少则刻蚀不足，过多则过度刻蚀、结构受损

图3 系统揭示N-CNTF的结构与组成变化：通过尿素调控，可以看到N-CNTF-2 的 (002) 峰最强，说明 NH₃ 刻蚀提升了石墨晶格有序性。最高的I_D/I_G值，表明其在保持石墨导电网络的同时引入了丰富缺陷和孔结构，有利于活性位点暴露和电解质渗透。吡啶氮相对含量达 26.61%，吡啶氮+吡咯氮合计约 61%，有利于提供电化学活性位点和额外赝电容。比表面积达 636.96 m² g^-1，平均孔径约 4.87 nm，形成了有利于离子快速传输的多级孔结构

图4 电化学性能：CV 曲线呈近似矩形并伴有弱宽氧化还原峰，说明以双电层电容为主，同时存在赝电容贡献。动力学分析表明电荷存储以电容控制为主。得益于高比表面积和氮掺杂，N-CNTF具有2501.51 mF cm^-2的高面电容和倍率性能

四、结论

本工作通过改进镁热还原策略，成功实现一步法制备氮掺杂碳纳米管泡沫。在镁热还原过程中，尿素热分解释放的 NH₃ 同时承担“刻蚀造孔”和“原位氮掺杂”的双重作用，实现了氮构型的可调调控。优化后的 N-CNTF-2 比表面积达 636.96 m² g^-1，氮元素中吡啶氮相对含量达 26.61%，电化学性能得到显著提成。N-CNTF-2正极在 1 mA cm^-2 下具有 2501.51 mF cm^-2 的超高面积电容，10 mA cm^-2 下保持 79.4% 的倍率容量，20 mA cm^-2 下循环 10000 次后容量保持率 79.9%。准固态柔性 ZHSCs 也表现出 2248 mF cm⁻² 的高面积电容和 1200 次循环后 98% 的容量保持率，且串/并联组装可实现输出电压和电容的线性扩展。该研究为 CO₂ 向高附加值氮掺杂多孔碳电极的转化提供了可持续、高效的新路径，也为高比能、柔性、可规模化水系储能器件的碳正极设计提供了实验依据和应用前景。

New Carbon Materials文章信息

Zhichao Ji, Hongxu Jin, Zhenyuan Wang,et al. Nitrogen-doped carbon nanotube foams prepared by a modified magnesiothermic reduction reaction for zinc-ion hybrid supercapacitors[J]. New Carbon Materials, 2026, 41(5): 1316-1328.

冀志超, 金洪旭, 王振远, 等. 改进镁热还原法构筑氮掺杂碳纳米管泡沫用于锌离子混合超级电容器[J]. 新型炭材料（中英文）, 2026, 41(5): 1316-1328.

DOI: 10.1016/S1872-5805(26)61131-6

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