二维(2D)纳米材料,具有独特的结构和优点是非常有前途的储能材料。其具有强的面内共价键,原子厚度大纵横比,灵活性高,表面积大,表面原子暴露的较多。但是,2D纳米片是具有不可避免的重新堆叠倾向,导致利用率低。在碳纳米片的微孔中没有诱导中孔或大孔。通常,微孔主导的2D碳材料比分层多孔3D碳材料具有更高的密度,增强体积电容的新可能性。但是纯碳电极材料通常疏水性低,通过改进提高比电容的有效策略润湿性和诱导额外的假电容。然而,大多数杂原子掺杂方法依赖于对碳材料的后处理,这增加了碳材料合成复杂性。本文提供一种有效且低成本的方法,通过钾化合物(KCs)的辅助制备多杂原子(N,O,S)掺杂的超薄多孔碳纳米片(PCNSs)用鱼鳞作为前体。获得了加速电解质离子传输2D纳米片结构,PCNS-600电极,其具有的大的电双层电容(EDLC),改善了电极对含水电解质的润湿性。

近日,中国北京化工大学的王峰(通讯)作者等人,提出了一种简便、低成本的生物质衍生多孔碳纳米片(PCNS)合成方法,采用鱼鳞作为前体,在KOH衍生的钾化合物的帮助下,在600℃下获得的厚度为3-5 nm的PCNS具有超薄纳米片结构,其微孔主导孔隙率,比表面积为962 m2 g-1;富表面杂原子O:14.64、N:5.05和S:0.92 at%;和高压缩密度(1.06 g cm-3),这使得电极在三电极和双电极系统中具有高的比质量/体积电容性能。相关成果以“Potassium compound-assistant synthesis of multi-heteroatom doped ultrathin porous carbon nanosheets for high performance supercapacitors”为题发表在Nano Energy上。

图 2 PCNS-600的SEM、TEM、AFM及EDX结构表征

(a)明胶@KCs的SEM图像;

(b)PCNS-600的SEM图像;

(c)PCNS-600的TEM图像;

(d)PCNS-600的AFM图像;

(e-h)PCNS-600的EDX元素Mapping图。

图 3 不同温度的PCNS样品的结构特点

(a)氮吸附-解吸等温线;

(b)孔径分布图;

(c)拉曼光谱图;

(d)高分辨率O 1s、N 1s和S 2p的XPS光谱图;

(e)6 M KOH电解质的接触角测量图。

图 4 6 M KOH电解质中,PCNS电极的电化学性能

(a)扫描速率为50 mV s-1下,PCNS电极的CV曲线图;

(b)扫描速率为10-500 mV s-1下,PCNS-600电极的CV曲线图;

(c)电流密度为1 A g-1下,PCNS电极的CP曲线图;

(d,e)电流密度为1-200 A g-1时,PCNS-600的CP曲线图;

(f)电流密度为1-200 A g-1时,PCNS电极的体积比电容图。

图 5 6M KOH电解质中,PCNS-600//PCNS-600超级电容器的电化学性能

(a)扫描速率为10-500 mV s-1的CV曲线图;

(b,c)电流密度为0.1-50 A g-1的CP曲线图;

(d)电流密度为0.1-50 A g-1的体积比电容图;

(e)与最近报道碳材料的Ragone性能比较图;

(f)在5 A g-1下,循环20000次后的循环稳定性图;

(g)PCNS-600/PCNS-600超级电容器点亮LED照片;

(h)Nyquist图(插图:放大的0.35-1.0 Ω区域);

(i)归一化的实部和虚部比电容图。

【小结】

本文提供一种有效且低成本的方法,通过钾化合物(KCs)的辅助制备多杂原子(N,O,S)掺杂的超薄多孔碳纳米片(PCNSs)用鱼鳞作为前体。获得了加速电解质离子传输2D纳米片结构,改善了电极对含水电解质的润湿性。采用鱼鳞作为前体,在KOH衍生的钾化合物的帮助下,在600℃下获得的厚度为3-5 nm的PCNS具有超薄纳米片结构,其微孔主导孔隙率,比表面积为962 m2 g-1,这使得电极在三电极和双电极系统中具有高的比质量/体积电容性能。

文献链接:Potassium compound-assistant synthesis of multi-heteroatom doped ultrathin porous carbon nanosheets for high performance supercapacitors(Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/ j.nanoen.2018.06.037)。