近期，中国科学院合肥物质院固体物理所孟国文、韩方明团队与美国特拉华大学魏秉庆教授合作，在Science China Technological Sciences发表论文，首次提出基于“Y”分枝多级孔结构的三维互连碳管网格膜电极，将滤波超级电容器的面积比电容进一步提升至3.6 mF cm^-2（120 Hz），为小型滤波电容器的电极设计提供了新方案。

滤波电容器是电子设备中交-直流转换的核心原件，其性能直接影响电路稳定性和设备运行状况。传统的铝电解滤波电容器因其体积庞大，已经难以满足电子设备微型化的发展需求。双电层超级电容器的比电容高，有望成为理想的小型滤波电容器，但因其电极内的弯曲小孔结构导致离子传输速度慢、器件响应频率低，因此一直不能作为滤波电容器使用。优化碳基电极内部的孔道结构，提升离子传输速度和响应频率，是实现超级电容器具有滤波功能的关键。理想的电极应同时具有快速离子传输通道和丰富的电荷吸附表面。

该团队长期致力于优化电极结构研究，先后构建了三维互连碳管网格膜电极、“管中管”结构的碳管三维互连网格电极、表面粗糙碳管三维互连网格膜电极、具有俄罗斯套娃结构多壳层碳管的三维互连网格电极以及由细直径碳管紧密排列的三维互连网格膜电极等(见图1a)，进而成功研制出双电层滤波超级电容器，被美国科学促进会以“小型化高性能滤波电容器”为题报道；因能为集成电路与芯片提供小型供电方案而入选Chip 2022中国芯片科学十大进展。

在上述工作基础上，团队成员陈干博士创制了由“Y”分枝碳管组成的多级孔道结构三维互连网格膜电极。通过合理调控含少量杂质铝片在阳极氧化过程中的氧化电压，获得了垂直孔按照“Y”形貌分枝的三维互连多孔阳极氧化铝模板，进而用模板孔限域诱导方法构建了Y分枝碳管三维互连网格膜电极(图1b)。这种网格电极的内部具有粗-细分级孔三维互连结构(图1c)，其中的主干粗直径大孔能对电解液离子高速导流，而小直径分枝细孔兼具导流和高效吸附双重功能，显著降低了离子扩散能垒，在主干粗直径大孔和小直径分枝细孔的协同作用下，同时实现了快速频率响应与高比表面积电荷存储的双重突破。

通过精准调控 “主干”和“分枝”孔的长度及比例（图1，2），新型电极在120 Hz下相位角为-80°时的面积比电容高达3.6 mF cm^-2，远高于国际上已报道的所有三明治构型滤波超级电容器（图3）。与商用铝电解滤波电容器相比，这种新型滤波超级电容器具有明显的体积优势，对高精尖电子设备与器件的小型化具有极其重要的意义。系列实验研究表明，以该新型电极构筑的器件作为滤波电容器，可以将方波、三角波以及噪声信号等高效平滑为稳定的直流输出，并成功应用于摩擦纳米发电机的能量管理（图4）。

该研究破解了双电层超级电容器长期存在的“高容量-快响应”倒置关系，为滤波电容器更加小型化提供了新的电极结构与技术方案。上述工作得到国家自然科学基金重大研究计划、面上项目和合肥物质院院长基金等资助。

文章链接：https://www.sciengine.com/SCTS/doi/10.1007/s11431-024-2850-6

图1. Y分枝三维互连多孔阳极氧化铝模板（3D-Y-AAO）和Y分枝三维互连碳管（3D-YCT）的结构和制备过程示意图。

图2. 3D-Y-AAO和3D-YCT的形貌和结构表征。

图3. 基于具有不同粗细碳管厚度比例的3D-CT电极器件的电化学性能。

图4. 交流滤波性能演示。