北京化工大學Nano Energy：鉀化合物合成雜原子摻雜超薄多孔碳納米片的高性能超級電容器

【引言】

二維（2D）納米材料，具有獨特的結構和優點是非常有前途的儲能材料。其具有強的面內共價鍵，原子厚度大縱橫比，靈活性高，表面積大，表面原子暴露的較多。但是，2D納米片是具有不可避免的重新堆疊傾向，導致利用率低。在碳納米片的微孔中沒有誘導中孔或大孔。通常，微孔主導的2D碳材料比分層多孔3D碳材料具有更高的密度，增強體積電容的新可能性。但是純碳電極材料通常疏水性低，通過改進提高比電容的有效策略潤濕性和誘導額外的假電容。然而，大多數雜原子摻雜方法依賴于對碳材料的后處理，這增加了碳材料合成復雜性。本文提供一種有效且低成本的方法，通過鉀化合物（KCs）的輔助制備多雜原子（N，O，S）摻雜的超薄多孔碳納米片（PCNSs）用魚鱗作為前體。獲得了加速電解質離子傳輸2D納米片結構，PCNS-600電極，其具有的大的電雙層電容（EDLC），改善了電極對含水電解質的潤濕性。

【成果簡介】

近日，中國北京化工大學的王峰（通訊）作者等人，提出了一種簡便、低成本的生物質衍生多孔碳納米片（PCNS）合成方法，采用魚鱗作為前體，在KOH衍生的鉀化合物的幫助下，在600℃下獲得的厚度為3-5 nm的PCNS具有超薄納米片結構，其微孔主導孔隙率，比表面積為962 m² g^-1；富表面雜原子O：14.64、N：5.05和S：0.92 at％；和高壓縮密度（1.06 g cm^-3），這使得電極在三電極和雙電極系統中具有高的比質量/體積電容性能。相關成果以“Potassium compound-assistant synthesis of multi-heteroatom doped ultrathin porous carbon nanosheets for high performance supercapacitors”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖 1 鉀化合物（KCs）輔助魚鱗前驅，合成由O、N和S原子摻雜的超薄多孔碳納米片（PCNS）的示意圖

圖 2 PCNS-600的SEM、TEM、AFM及EDX結構表征

（a）明膠@KCs的SEM圖像；

（b）PCNS-600的SEM圖像；

（c）PCNS-600的TEM圖像；

（d）PCNS-600的AFM圖像；

（e-h）PCNS-600的EDX元素Mapping圖。

圖 3 不同溫度的PCNS樣品的結構特點

（a）氮吸附-解吸等溫線；

（b）孔徑分布圖；

（c）拉曼光譜圖；

（d）高分辨率O 1s、N 1s和S 2p的XPS光譜圖；

（e）6 M KOH電解質的接觸角測量圖。

圖 4 6 M KOH電解質中，PCNS電極的電化學性能

（a）掃描速率為50 mV s^-1下，PCNS電極的CV曲線圖；

（b）掃描速率為10-500 mV s^-1下，PCNS-600電極的CV曲線圖；

（c）電流密度為1 A g^-1下，PCNS電極的CP曲線圖；

（d，e）電流密度為1-200 A g^-1時，PCNS-600的CP曲線圖；

（f）電流密度為1-200 A g^-1時，PCNS電極的體積比電容圖。

圖 5 6M KOH電解質中，PCNS-600//PCNS-600超級電容器的電化學性能

（a）掃描速率為10-500 mV s^-1的CV曲線圖；

（b，c）電流密度為0.1-50 A g^-1的CP曲線圖；

（d）電流密度為0.1-50 A g^-1的體積比電容圖；

（e）與最近報道碳材料的Ragone性能比較圖；

（f）在5 A g^-1下，循環20000次后的循環穩定性圖；

（g）PCNS-600/PCNS-600超級電容器點亮LED照片；

（h）Nyquist圖（插圖：放大的0.35-1.0 Ω區域）；

（i）歸一化的實部和虛部比電容圖。

【小結】

本文提供一種有效且低成本的方法，通過鉀化合物（KCs）的輔助制備多雜原子（N，O，S）摻雜的超薄多孔碳納米片（PCNSs）用魚鱗作為前體。獲得了加速電解質離子傳輸2D納米片結構，改善了電極對含水電解質的潤濕性。采用魚鱗作為前體，在KOH衍生的鉀化合物的幫助下，在600℃下獲得的厚度為3-5 nm的PCNS具有超薄納米片結構，其微孔主導孔隙率，比表面積為962 m² g^-1，這使得電極在三電極和雙電極系統中具有高的比質量/體積電容性能。

文獻鏈接：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）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料牛專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！