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在氮掺杂多孔碳高性能超级电容器研究方面取得进展

已有 1875 次阅读 2020-7-7 19:13 |系统分类:论文交流

龚佑宁和黎德龙ACSAEM论文:在氮掺杂多孔碳高性能超级电容器研究方面取得进展


超级电容器具有功率密度高、充放电速率快、工作寿命长和安全稳定等特点,是未来能源系统中不可或缺的一类储能器件,特别是高功率应用领域。构筑三维的石墨化分级多孔碳(Hierarchically porousgraphitic carbonHPGC)是获得性能出色的电极材料的有效方法。合理的分级孔结构不仅能提供大的有效电化学活性面积,还可以缩短孔道内离子传输与扩散的距离,减小离子阻抗;同时石墨化的碳还能保证材料优良的导电性。另外,NBS等杂原子的掺杂也有利于碳材料电化学性能的提高。

甲壳素是自然界中储量仅次于纤维素的生物聚合物,其经过脱乙酰化作用后的产物是壳聚糖(ChitosanCS)。壳聚糖是本征含氮的生物质,具有良好的生物相容性和生物活性,因此被认为是比纤维素更有应用潜力的功能性生物聚合物。由于壳聚糖分子链之间的交叠缠绕,它易于形成平面或膜状的聚合物,在碳化后能够得到层状结构的碳材料,这就使得其衍生材料可以实现结构和表面化学的同步调控。

最近,武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组与深圳大学微纳光电子学研究院张豫鹏研究员课题组合作,龚佑宁博士和黎德龙副研究员(共同第一作者)等人提出了“一步法”制备了氮掺杂生物质石墨化分级多孔碳的新方法,优化的石墨化分级孔结构和氮原子的修饰作用,使得它作为超级电容器的电极材料具有优异的电容性能和“能量-功率”输出特性,具有重要的应用前景。研究成果发表在《ACS Applied Energy Materials2020, 3, 15851592)上。

主要创新性成果如下:

以本征含氮的壳聚糖为生物质碳源,利用冷冻干燥技术和高铁酸钾(K2FeO4)作为造孔剂/催化剂,实现了氮掺杂生物质石墨化分级多孔碳材料的“一步法”制备。相较于传统生物炭的制备方法,该方法更加简单高效、绿色可持续,且摆脱了天然固有模板的约束。多孔碳产物兼具分级孔结构,高的石墨化程度和氮掺杂的特点,其比表面积为1770 m2/g,总孔体积为1.15 m3/g,氮掺杂量为5.9 at%。优化的石墨化分级孔结构和氮原子的修饰作用,使得它作为超级电容器的电极材料具有优异的电容性能和能量—功率输出特性,水系的对称电容器能够在100 W/kg的功率密度下输出10.2 Wh/kg的能量密度,离子液体作电解液的对称电容器的能量密度可达63.3 Wh/kg(功率密度为300 W/kg)。

与传统的模板法和多步法不同,该方法可以同步完成对碳材料的活化、石墨化和杂原子掺杂过程,更加简单高效且缩短了实验周期;并且整个制备过程中不涉及任何有毒或高危化学品的加入。最终得到的碳产物CS-HPGC兼具了分级孔的结构,高的石墨化程度以及氮掺杂等特点,作为超级电容器电极材料表现出了优异的电化学性能,显现出巨大的应用潜力。

 

相关论文信息:

Youning Gong, Delong Li前二作者相同贡献, Qiang Fu, Yupeng Zhang*, Chunxu Pan*: "Nitrogen Self-DopedPorous Carbon for High-Performance Supercapacitors", ACS Applied Energy Materials, 2020, 3: 1585−1592.IF4.473

https://dx.doi.org/10.1021/acsaem.9b02077

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