Boosting Zinc-Ion Hybrid Capacitors with Mesoporous Carbon Derived from Highly Graphitized Carbon Quantum Dots

Abstract

Zinc-ion hybrid capacitor (ZIHC) with high-energy density and inherent safety is considered an emerging energy storage technology. However, its rate performance and cycling stability under high-current density conditions are limited by the electrical conductivity and mesoporosity of electrode materials, failing to meet the demand for fast charging. Herein, a novel strategy is proposed to prepare highly mesoporous carbons (MCs) by using high-graphitized carbon quantum dots (CQDs) as precursors. The enhanced dispersion of CQDs in molten KOH during activation occurs, thereby enabling more intimate contact and effective activation. MCs are endowed with ultrahigh mesopore ratio (83.3%), high-specific surface area (3328 m² g⁻¹), and sound electrical conductivity (11.39 S cm⁻¹). The ZIHCs assembled with MCs deliver superior energy density (218.24 Wh k g⁻¹). Even at a high-current density of 20 A g⁻¹, the electrode maintains a specific capacity of 116.4 mAh·g⁻¹. The excellent rate capability stems from the efficient synergistic effect formed by the conjugated π-electron system of graphitic microdomains in the carbon skeleton and the ion transport channels of mesoporous structures. The work highlights CQDs as an innovative precursor for constructing mesoporous carbons and enables high-rate energy storage devices.

Keywords

coal tar pitch / DES extraction / high-graphitized carbon quantum dots / ultrahigh mesoporous carbons / zinc-ion hybrid capacitors

References

[1] Y. Y. Liang, M. M. Wu, A. J. Liu, Q. H. Chen, Y. Wu, Q. Xiang, Z. B. Liu, J. X. Guo, X. C. Wang, D. Z. Jia, Adv. Sci. 2024, 11, 2407635.

[2] S. González-Martínez, A. Castro-Muñiz, S. Villar-Rodil, T. A. Centeno, F. Suárez-García, J. I. Paredes, Carbon 2025, 237, 120123.

[3] S. X. Yan, R. Huang, H. S. Liu, S. H. Luo, ACS Appl. Energy Mater. 2024, 7, 6827.

[4] S. X. Yan, S. H. Luo, J. Feng, P. W. Li, R. Guo, Q. Wang, Y. H. Zhang, Y. G. Liu, S. Bao, Chem. Eng. J. 2020, 381, 122695.

[5] H. Shao, Y.-C. Wu, Z. F. Lin, P.-L. Taberna, P. Simon, Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 3005.

[6] D. Sui, M. M. Wu, K. Y. Shi, C. L. Li, J. W. Lang, Y. L. Yang, X. Y. Zhang, X. B. Yan, Y. S. Chen, Carbon 2021, 185, 126.

[7] X. A. Yu, X. H. Wu, Y. X. Liang, K. J. Liang, S. J. Huang, K. J. Li, M. J. Chen, S. F. Liu, N. Li, Z. C. Shi, Batteries Supercaps 2021, 4, 1201.

[8] Y. Liu, L. J. Wu, Nano Energy 2023, 109, 108290.

[9] S. X. Yan, X. Yan, X. R. Tian, H. S. Liu, Z. Wang, J. Guo, S. H. Luo, Energy Fuel 2024, 38, 17076.

[10] V. Kumar, M. Bhalani, J. Andharia, P. P. Mondal, P. Maiti, S. Neogi, S. Maiti, Ind. Eng. Chem. Res. 2024, 63, 4714.

[11] H. A. Hamouda, S. Z. Cui, X. W. Dai, L. L. Xiao, X. Xie, H. Peng, G. F. Ma, RSC Adv. 2021, 11, 354.

[12] S. S. Qiu, Y. Fu, W. J. Lei, J. Chang, J. Energy Storage 2025, 112, 115536.

[13] S. Goskula, S. Siliveri, S. R. Gujjula, A. K. Adepu, S. Chirra, V. Narayanan, Biomass Convers. Biorefinery 2023, 14, 32413.

[14] J. Guo, T. Wang, D. L. Wu, D. Z. Jia, Chem. Eng. J. 2025, 506, 160245.

[15] C. Nita, M. Bensafia, C. Vaulot, L. Delmotte, C. M. Ghimbeu, Carbon 2016, 109, 227.

[16] W. F. Liu, Z. H. Hu, Q. Zhang, J. Cent. South Univ. 2024, 31, 2268.

[17] K. Xiao, X. D. Jiang, S. P. Zeng, J. R. Chen, T. Hu, K. Yuan, Y. W. Chen, Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2405830.

[18] Y. Esmaeili, F. Toiserkani, Z. Qazanfarzadeh, M. Ghasemlou, M. Naebe, C. J. Barrow, W. Timms, S. Jafarzadeh, Adv. Colloid Interf. Sci. 2025, 338, 103414.

[19] C. F. Ma, X. T. Xu, M. Q. Xu, Y. B. Zhou, Y. Y. Yao, Z. L. Xiang, W. He, J. X. Yu, Q. F. Zhang, F. Feng, Y. Liu, C. Y. Yin, X. N. Li, C. S. Lu, J. Mater. Chem. A 2025, 13, 12507.

[20] X. R. Tian, S. H. Luo, R. Huang, M. Y. Sun, Z. R. Zhang, S. X. Yan, J. Alloys Compd. 2024, 1005, 176090.

[21] L. Tian, Z. Li, P. Wang, X. H. Zhai, X. Wang, T. X. Li, J. Energy Chem. 2021, 55, 279.

[22] H. Y. Quan, W. H. Tao, Y. Wang, D. Z. Chen, J. Energy Storage 2022, 55, 105573.

[23] H. B. Wang, G. Q. Ning, X. He, X. L. Ma, F. Yang, Z. M. Xu, S. Q. Zhao, C. M. Xu, Y. F. Li, Nanoscale 2018, 10, 21492.

[24] W. Q. Li, A. J. Zhang, H. Gao, M. J. Chen, A. H. Liu, H. Bai, L. Li, Chem. Commun. 2016, 52, 2780.

[25] P. N. Kuznetsov, E. S. Kamenskiy, L. I. Kuznetsova, Energy Fuel 2017, 31, 5402.

[26] T. T. Guan, G. L. Zhang, J. H. Zhao, J. L. Wang, K. X. Li, Fuel 2019, 242, 184.

[27] G. M. Yuan, X. K. Li, X. Q. Xiong, Z. J. Dong, A. Westwood, B. L. Li, C. Ye, G. Z. Ma, Z. W. Cui, Y. Cong, J. Zhang, Y. J. Li, Carbon 2017, 115, 59.

[28] X. H. Fan, Y. Q. Fei, L. Chen, W. Lit, Energy Fuel 2017, 31, 4694.

[29] J. J. Fernández, A. Figueiras, M. Granda, J. Bermejo, R. Menéndez, Carbon 1995, 33, 295.

[30] S. Wu, X. Y. Wang, J. L. Bai, Y. Q. Zhu, X. Yu, F. Qin, P. Y. He, L. L. Ren, Langmuir 2022, 38, 11210.

[31] W. D. Li, Y. Liu, M. Wu, X. L. Feng, S. A. T. Redfern, Y. Shang, X. Yong, T. L. Feng, K. F. Wu, Z. Y. Liu, B. J. Li, Z. M. Chen, J. S. Tse, S. Y. Lu, B. Yang, Adv. Mater. 2018, 30, 1800676.

[32] X. P. Wang, L. X. Wang, F. Zhao, C. G. Hu, Y. Zhao, Z. P. Zhang, S. L. Chen, G. Q. Shi, L. T. Qu, Nanoscale 2015, 7, 3035.

[33] T. T. Guan, K. X. Li, J. H. Zhao, R. J. Zhao, G. L. Zhang, D. D. Zhang, J. L. Wang, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 15869.

[34] X. C. Ma, L. Q. Li, Z. Zeng, R. F. Chen, C. H. Wang, K. Zhou, H. L. Li, Appl. Surf. Sci. 2019, 481, 1139.

[35] Y. Martín, R. García, R. A. Solé, S. R. Moinelo, Energy Fuel 1996, 10, 436.

[36] X. L. Kou, S. C. Jiang, S. J. Park, L. Y. Meng, Dalton Trans. 2020, 49, 6915.

[37] J. J. Liu, R. Li, B. Yang, ACS Cent. Sci. 2020, 6, 2179.

[38] K. Cong, M. Ritter, S. Stumpf, B. Schroeter, U. S. Schubert, A. Ignaszak, Electroanalysis 2014, 26, 2567.

[39] H. Q. Song, Y. H. Li, L. Shang, Z. Y. Tang, T. R. Zhang, S. Y. Lu, Nano Energy 2020, 72, 104730.

[40] Y. Rao, H. Ning, X. Ma, Y. Liu, Y. Wang, H. Liu, J. L. Liu, Q. S. Zhao, M. B. Wu, Carbon 2018, 129, 335.

[41] J. Liao, Z. H. Cheng, L. Zhou, ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4, 3053.

[42] J. Liu, X. L. Liu, H. J. Luo, Y. F. Gao, RSC Adv. 2014, 4, 7648.

[43] H. Afshary, M. Amiri, A. Bezaatpour, M. Wark, J. Electrochem. Soc. 2022, 169, 026523.

[44] L. Zhen, C. Ling, Q. Ping, L. Xiang, C. Z. Wen, W. Liang, P. D. Yu, W. M. Hong, Carbon Energy 2018, 139, 67.

[45] H. L. Fei, J. C. Dong, Y. X. Feng, C. S. Allen, C. Z. Wan, B. Volosskiy, M. F. Li, Z. P. Zhao, Y. L. Wang, H. T. Sun, P. F. An, W. X. Chen, Z. Y. Guo, C. Lee, D. L. Chen, I. Shakir, M. J. Liu, T. D. Hu, Y. D. Li, A. I. Kirkland, X. F. Duan, Y. Huang, Nat. Catal. 2018, 1, 63.

[46] X. Meng, Q. Chang, C. R. Xue, J. L. Yang, S. L. Hu, Chem. Commun. 2017, 53, 3074.

[47] Y. Lu, J. N. Liang, S. F. Deng, Q. M. He, S. Y. Deng, Y. Z. Hu, D. L. Wang, Nano Energy 2019, 65, 103993.

[48] Y. Q. Zhang, M. Zhang, H. Y. Jiang, J. L. Shi, F. B. Li, Y. H. Xia, G. Z. Zhang, H. J. Li, Carbohydr. Polym. 2017, 177, 116.

[49] A. Gopalakrishnan, T. D. Raju, S. Badhulika, Carbon 2020, 168, 209.

[50] N. Wang, G. L. Zhang, T. T. Guan, J. C. Wu, J. L. Wang, K. X. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 13250.

[51] C. W. Wang, D. J. Yang, Y. P. Zhu, Y. B. Xi, W. L. Zhang, M. Z. Yan, Y. L. Qin, X. Q. Qiu, Ind. Crop. Prod. 2022, 180, 114748.

[52] Z. Y. Huang, J. H. Huang, L. Zhong, W. L. Zhang, X. Q. Qiu, Small 2024, 20, 2405632.

[53] F. T. Ran, X. B. Yang, X. Q. Xu, S. W. Li, Y. Y. Liu, L. Shao, Chem. Eng. J. 2021, 412, 128673.

[54] A. K. Mishra, S. Ramaprabhu, J. Nanosci. Nanotechnol. 2012, 12, 6658.

[55] Z. L. Lin, J. H. Zhu, P. X. Zhang, L. B. Deng, J. Mater. Res. 2021, 36, 1250.

[56] F. M. Wu, J. P. Gao, X. G. Zhai, M. H. Xie, Y. Sun, H. Y. Kang, Q. Tian, H. X. Qiu, Carbon 2019, 147, 242.

[57] J. Y. Zhang, D. X. Wu, Q. Zhang, A. N. Zhang, J. F. Sun, L. R. Hou, C. Z. Yuan, J. Mater. Chem. A 2022, 10, 2932.

[58] Q. Zhang, P. Yue, M. Y. Jia, J. L. Jia, Y. F. Ren, G. W. Li, J. F. Sun, L. R. Hou, M. Chen, C. Z. Yuan, Chem. Eng. J. 2024, 500, 156779.

[59] J. Yang, H. L. Wu, M. Zhu, W. J. Ren, Y. Lin, H. B. Chen, F. Pan, Nano Energy 2017, 33, 453.

[60] C. W. Wang, D. J. Yang, W. L. Zhang, Y. L. Qin, X. Q. Qiu, Z. L. Li, Carbon Res. 2024, 3, 20.

[61] X. Hu, G. B. Zhong, J. W. Li, Y. J. Liu, J. Yuan, J. X. Chen, H. B. Zhan, Z. H. Wen, Energy Environ. Sci. 2020, 13, 2431.

[62] M. J. Lu, S. R. Sun, X. Y. Li, Q. Y. Liu, W. L. Zhang, X. Q. Qiu, Int. J. Biol. Macromol. 2025, 285, 138331.

[63] Y. F. Zhang, C. L. Zhu, Y. Xiong, Z. Y. Gao, W. Hu, J. Shi, J. W. Chen, W. Q. Tian, J. Y. Wu, M. H. Huang, H. L. Wang, Small Methods 2023, 7, 2300714.

[64] W. B. Jian, W. L. Zhang, X. E. Wei, B. C. Wu, W. L. Liang, Y. Wu, J. Yin, K. Lu, Y. A. Chen, H. N. Alshareef, X. Q. Qiu, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2209914.

[65] F. Xu, Y. X. Zhai, E. Zhang, Q. H. Liu, G. S. Jiang, X. S. Xu, Y. Q. Qiu, X. M. Liu, H. Q. Wang, S. Kaskel, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19460.

[66] C. W. Wang, Z. C. Li, W. L. Zhang, B. Chen, Y. Y. Ge, Z. L. Li, X. M. Cui, J. Colloid Interface Sci. 2025, 685, 674.

[67] D. Ahmad, I. Van Den Boogaert, J. Miller, R. Presswell, H. Jouhara, Energy Sources Part A Recover Util Environ Eff. 2018, 40, 2686.

[68] B. C. Xue, J. H. Xu, R. Xiao, ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 15925.

[69] P. F. Yu, Y. Zeng, Y. X. Zeng, H. W. Dong, H. Hu, Y. L. Liu, M. T. Zheng, Y. Xiao, X. H. Lu, Y. R. Liang, Electrochim. Acta 2019, 327, 134999.

[70] W. Yang, W. Yang, F. Ding, L. Sang, Z. P. Ma, G. J. Shao, Carbon 2017, 111, 419.

[71] W. Li, X. M. Yang, Z. M. Chen, X. F. Wang, J. S. Qiu, Carbon 2022, 196, 136.

[72] Y. P. Zhang, N. Zhang, X. J. Zhang, S. H. Cui, C. Q. Zhang, X. M. Wang, Y. G. Zhang, H. F. Li, Y. H. Zhang, J. Mater. Chem. A 2025, 13, 15620.

[73] X. H. Chen, P. C. Ye, H. Y. Wang, H. Huang, Y. J. Zhong, Y. Hu, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212915.

[74] W. Lu, J. Shen, P. Zhang, Y. Zhong, Y. Hu, X. W. Lou, Angew. Chem. 2019, 131, 15587.

[75] K. W. Nam, H. Kim, Y. Beldjoudi, T. w. Kwon, D. J. Kim, J. F. Stoddart, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2541.

[76] Z. X. Xu, M. Li, W. Y. Sun, T. Tang, J. Lu, X. L. Wang, Adv. Mater. 2022, 34, 2200077.

[77] F. X. Xie, H. Li, X. S. Wang, X. Zhi, D. L. Chao, K. Davey, S. Z. Qiao, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003419.

[78] Y. X. Liu, H. Y. Tan, Z. W. Tan, X. H. Cheng, Appl. Surf. Sci. 2023, 608, 155215.

[79] Y. Zhang, P. C. Xie, C. H. Jiang, Z. M. Zou, J. Energy Storage 2023, 57, 106169.

[80] P. G. Liu, W. F. Liu, Y. P. Huang, P. L. Li, J. Yan, K. Y. Liu, Energy Storage Mater. 2020, 25, 858.

[81] K. Z. Shang, Y. J. Liu, P. W. Cai, K. K. Li, Z. H. Wen, J. Mater. Chem. A 2022, 10, 6489.

[82] H. C. He, J. C. Lian, C. M. Chen, Q. T. Xiong, C. C. Li, M. Zhang, Nano Micro Lett. 2022, 14, 106.

[83] B. P. Qiu, X. Wei, W. Zhang, Y. H. Lv, H. L. Meng, F. Wei, Diam. Relat. Mater. 2023, 136, 110041.

Rights & permissions

2026 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.