图 无定形纳米多孔碳的真实原子模型构建

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2325012、92472109、U25B20172）等资助下，华中科技大学冯光教授团队在无定形多孔碳材料电极建模研究方面取得新进展。相关成果以“真实原子模型揭示无定形多孔碳电荷存储与充电动力学 (Realistic atomic model for charge storage and charging dynamics of amorphous porous carbons)”为题，于2026年2月6日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications），论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69231-4。

　　多孔碳材料因其比表面积高、导电性好、成本低等特性，被广泛应用于超级电容器和电池等电化学储能设备。然而，无定形多孔碳的结构异质性和复杂孔隙拓扑，使其储能机理难以从分子层面被深入理解。分子模拟为揭示微纳尺度界面的电荷存储行为提供了重要途径，但现有的无定形多孔碳材料的模型面临困局：理想狭缝模型虽然计算简便、使用广泛，但不能表示孔隙之间的三维连通性；淬火分子动力学模拟方法虽然可以构建具有复杂拓扑结构的原子模型，但缺乏实验数据支撑；高斯随机场方法虽然能够从小角X射线散射中提取多孔碳电极的孔隙结构信息，却忽略了电极与电解质之间的范德华相互作用，无法准确描述界面结构和电荷存储过程。

　　针对上述挑战，研究团队开发了多散射峰高斯随机场方法和混合三维逆分子动力学模拟方法，创新性地融合了小角X射线散射、气体吸附和密度等多源实验数据，构建了无定形多孔碳的真实原子模型。基于该模型的恒电势分子动力学模拟揭示了超微孔通过离子交换过程主导电荷存储，并发现超微孔与大微孔的连接方式显著影响性能，深超微孔比浅超微孔能存储更多电荷。研究团队还建立了多尺度阻抗模型，成功预测了宏观电化学阻抗谱，实现了微观模拟与宏观实验的定量吻合，为高性能多孔碳电极的设计提供了理论依据。该研究成果为理解无定形多孔碳电极的储能机理提供了分子层面的研究方法，其开发的用于无定型多孔碳材料的建模方法可广泛应用于催化、电容去离子、气体存储与分离、碳捕集等多孔材料研究领域。