博文
北化邱介山&安徽工大何孝军教授：蛋盒状3D多孔道碳材料的可控制备及其优异超电特性
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3D N, O‑Codoped Egg‑Box‑Like Carbons with Tuned Channels for High Areal Capacitance Supercapacitors
Nano‑Micro Lett.(2020) 12:82 https://doi.org/10.1007/s40820‑020‑00416‑2 以煤沥青为碳源，商业碳布为基体，采用K2CO3原位活化法，制备出N、O共掺杂蛋盒状的三维碳材料(EBC)。图1a-c显示合成的EBC材料为多级孔道结构的三维多孔碳。随碳化温度的升高，EBC的孔尺寸逐渐变大(图1b)；当温度达850 ℃时，蛋盒会裂开(图1c)。图1d-f显示EBC具有相互连接的三维结构。在K2CO3的作用下，850 ℃所得的EBC具有超薄的片状结构(图1f)。能谱分析结果表明C、O和N元素在样品中均匀分布，证明O和N原子被成功掺杂到三维蛋盒状材料中(图1g)。 图2a，2b表明EBC中含有大量的微孔和少量的中孔；在储能过程中，微孔和中孔均是储存电解质的空间，中孔为离子快速传输提供通道。EBC中大部分孔的尺寸小于3 nm(图2b)。随碳化温度从750 ℃升高850 ℃，EBC的SBET从604 m2/g增加到854 m2/g，随后又减少到834 m2/g。与此同时，EBC的d002从0.3576 nm减少到0.3515 nm，Lc从1.1574 nm增加到1.2417 nm(图2c)。三个EBC样品的ID/IG值都较小，说明其石墨化度较高(图2d)。XPS分析表明N、O元素被掺杂到蛋盒状多孔碳中，其含量分别为3.55 at.%和8.21 at.%(图2e-f)。 II EBC电极的电荷存储机制 为弄清EBC电极的电荷存储机制和N、O杂原子产生的赝电容对总电容的贡献，在6 M KOH的水系电解液中，用三电极系统研究了EBC的电化学性能。样品的充放电曲线呈非完全对称的三角形(图3a)，表明由N、O官能团的法拉第反应产生的赝电容对总电容有贡献。EBC750、EBC800、EBC850在0.106 mA/cm2电流密度下的面积容量分别为37.0(223 F/g)、39.8(340 F/g)和29.5 mF/cm2(246 F/g)(图3b)。EBC800电极在10.6 mA/cm2的面积比电容达29.6 mF/cm2(253F/g)，在42.4 mA/cm2电流密度下保持为26.0 mF/cm2(222 F/g)。电容(C)可以通过公式计算：C=k1+k2t1/2，其中k1、k2t1/2分别表示表面电容效应(CE，源于EDLC)和扩散控制过程(CP，源于赝电容)。EBC750、EBC800、EBC850的k1和k2分别为155.03和1.16、242.35和1.39、159.62和1.35(图3c)。对于EBC800来说，CP对C的贡献随着电流密度的增加而减小。在相同电流密度下，EBC800电极的CE和CP值高于EBC750和EBC850电极。 III EBC在水系超级电容器中的电化学性能 以6 M KOH为电解液，构筑了对称的超级电容器，研究了EBC电极的电化学性能。EBC的充放电曲线呈对称三角形形状(图4a)，这是一种理想的双电层电容(EDLC)行为；较低的压降，证明EBC具有高的电导率。在电流密度为0.1075 mA/cm2时，EBC750、EBC800和EBC850的面积比电容分别为23.0，27.6和19.0 mF/cm2(图4b)。在215mA/cm2的高电流密度下，EBC800的面积比电容仍高达18.8 mF/cm2。在10.75 mA/cm2的电流密度下，基于EBC800的超级电容器经50000次循环后，其比电容的保持率高达98.1％(图4c)，展现出优异的循环稳定性。基于EBC800的超级电容器，经50000次循环后，其库伦效率为109.7％。在0.056 mW/cm2功率密度下，EBC800基电容器的能量密度为0.01763 mWh/cm2(图4d)，其应用前景值得期待。EBC电极的Nyquist图由低频区的直线和高频区的半圆组成(图4e)，低频区的直线意味着理想的电容行为；短的Z’轴截距和小的半圆直径，表明EBC800电极有较低的内部欧姆电阻和电荷转移电阻，这与EBC独特的3D相互连接的N、O共掺杂蛋盒状结构有关。Bode图(图4f)显示三个样品的相位角都接近90°，这是一种理想的EDLC行为。EBC750、EBC800和EBC850在-45°相位角处的特征频率(f0)分别为0.42、1.14和0.76 Hz，对应的松弛时间分别为2.38、0.88和1.32 s(τ0，τ0=1/f0)；EBC800松弛时间最小，表明EBC800电极具有最快的充放电速率。 图4. (a)1 A/g电流密度下的充放电曲线；(b)不同电流密度下的面积比容；(c)EBC800基超级电容器循环50000次后容量保持率和库伦效率；(d)Ragone图；(e)Nyquist图；(f)Bode图。 IV EBC在固态超级电容器中的电化学性能 何孝军 本文通讯作者 安徽工业大学 教授 皖江学者特聘教授 超级电容器用微孔碳、中孔碳、分级多孔碳和多孔类石墨烯材料的研究。 ▍主要研究成果 在J. Mater. Chem. A，Nano-Micro Lett.，J. Power Sources，Chem. Eng. J.等刊物发表论文40余篇，其中，7篇论文入选ESI高被引论文，6篇论文被选为刊物封面，H因子24。申请发明专利30余件，20余件专利获得授权。参编学术专著1部，以主要完成人获辽宁省自然科学奖一等奖1项。2013年入选教育部新世纪优秀人才支持计划项目，2017年被聘为皖江学者特聘教授，2018年入选安徽省战略性新兴产业技术领军人才。 邱介山 本文通讯作者 北京化工大学 教授 长江学者特聘教授 功能碳材料的制备及应用、煤炭的高效洁净转化技术、无机膜材料、太阳能电池/超级电容器/锂电池/钠离子电池等、多相催化、电容去离子脱盐技术。 ▍主要研究成果 在Nature Mater.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Energy Environ. Sci.，PNAS，Nature Commun.，ACSNano，Angew. Chem.，Chem. Soc.Rev.，JACS，Joule等学术刊物上发表论文700余篇，发表论文SCI总引26000余次(其中，SCI他引24500余次)，H因子79。申请及授权发明专利130余件；荣获2项教育部自然科学一等奖、1项辽宁省自然科学一等奖等省部级科技奖励10项。2018-2019年连续入选科睿唯安全球高引科学家名单(交叉学科领域)，入选爱思唯尔“2019年中国高被引学者”榜单(化学工程领域)。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、国务院政府津贴专家、辽宁省高校“能源材料化工”创新团队带头人、国家“有突出贡献中青年专家”、国家“百千万人才工程”人选、全国化工优秀科技工作者、全国百篇优秀博士论文指导教师。现任中国微米纳米技术学会副理事长、中国科协先进材料学会联合体主席团副主席、《化工学报》副主编、Chemical Engineering Science、Science ChinaMaterials等20余种学术刊物的编委/顾问编委。曾任国际学术刊物ACS Sustainable Chemistry & Engineering 副主编、Carbon副主编、FlatChem共同创刊主编。 https://chem.buct.edu.cn/2019/1217/c5531a70820/page.htm E-mail：editorial_office@nmletters.org
https://blog.sciencenet.cn/blog-3411509-1235920.html
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