综述：碳基电极的改性策略——从结构调控到多功能集成

《Advanced Science》：Modification Strategies of Carbon-Based Electrodes From Structural Regulation to Multifunctional Integration

本综述系统梳理了碳基电极材料在能源存储与转化领域的最新进展，重点探讨了通过元素掺杂（如N、S）、表面功能化、等离子体处理及三维结构优化等策略提升其电化学性能的机理。文章详细分析了各类碳材料（石墨烯、碳纳米管(CNTs)、碳纤维(CFs)等）在超级电容器、锂离子电池(LIBs)、电催化等应用中的性能突破，并指出多功能集成设计是未来实现高能量密度、长寿命器件的关键路径。

　　

碳基电极材料的多维调控策略

碳基电极凭借其高导电性、可调控的孔结构和优异的化学稳定性，已成为能源存储与转化领域的核心材料。本文系统梳理了从微观结构设计到多功能集成的改性策略，为高性能电极的精准设计提供理论依据。

结构调控与表面工程协同增效

通过模板法、化学气相沉积(CVD)等技术构建分级多孔结构，可显著增加电极比表面积并优化离子传输路径。例如，氮掺杂三维石墨烯气凝胶在锂硫电池中既能物理限域多硫化物，又通过吡啶氮位点催化Li₂S_x转化反应，实现容量保持率>99.5%/循环。表面功能化引入的羧基（-COOH）等官能团可增强电极与电解液的润湿性，使超级电容器的倍率性能提升3倍以上。

元素掺杂与缺陷协同激活

杂原子掺杂（如N、S、P）能打破碳骨架的电中性，创造高活性位点。理论计算表明，N/S共掺杂可将氧还原反应(ORR)的过电位降低70 mV，同时维持10⁶S/m级的高电导率。等离子体处理可实现秒级深度掺杂，例如NH₃等离子体处理的Ni-MOF衍生碳布，在氢析出反应(HER)中过电位<40 mV@10 mA/cm²。

多功能集成突破性能瓶颈

将导电骨架、催化活性位点与机械稳定性一体化设计是近年来的研究热点。例如，自支撑Co_SANi-NCNT/CNF电极在锌空气电池中同时实现ORR/OER双功能催化，循环45 h后电压衰减可忽略。柔性碳电极与生物传感结合，如激光诱导石墨烯(LIG)电子皮肤可实时监测心电信号，在60%应变下保持信号稳定性。

产业化挑战与智能化解决方案

当前碳电极的规模化制备仍面临结构控制精度低、功能兼容性差等挑战。原子层沉积(ALD)与模板锁定技术可将孔径偏差控制在±0.2 nm，而人工智能辅助的工艺优化能将批次一致性从±8%提升至±1%。未来，通过跨尺度协同设计（原子-分子-宏观），碳基电极有望在柔性电子、智能传感等领域实现颠覆性应用。