樓雄文教授Energ. Environ. Sci.：高電容性能空心粒子基氮摻雜碳納米纖維的制備

【引言】

超級電容器，由于其功率高、充放電速度快以及循環穩定性好等特性，在便攜式電子設備和電動汽車等清潔交通工具方面有不可替代的應用價值。超級電容器的性能主要取決于電極材料，因此，對電極材料的研究是目前能源方面的研究熱點。具有輕質量、良好的導電性、穩定的化學性能以及可調控的形貌特性等優勢的碳材料是目前主要研究的超級電容器電極材料之一。

在眾多的碳材料中，一維中空結構的碳納米材料具有以下優勢：（1）比表面積大，保證了電解液與材料活性點的接觸；（2）納米粒子簡化了離子/電子的傳輸路徑；（3）一維結構具有良好的導電性。如果能夠在此基礎上對碳材料實現氮摻雜，改變材料的能帶結構和表面狀態，可以進一步提高其電化學性能。

【成果簡介】

一維中空的碳納米材料的制備常常采用模版法，工藝繁瑣。如果要實現氮摻雜，則需要進行更復雜的化學反應。最近，新加坡南洋理工大學的樓雄文教授、Le Yu（共同通訊）等在Energy & Environmental Science上發表題為“Designed formation of hollow particle-based?nitrogen-doped carbon nanofibers for?high-performance supercapacitors”的文章。采用一種簡單的靜電紡絲和高溫碳化方法，成功合成了空心粒子基氮摻雜碳納米纖維（HPCNFs-N）。這種材料電容性能優異，具有高比電容（在1.0A g^-1下為307.2F g^-1，在50.0A g^-1下為193.4F g^-1），高的能量/功率密度（最大能量密度為10.96 W h kg^-1，功率密度為25 000 W kg^-1），且循環穩定性好，在10000次循環中僅有1.8％的電容損耗。

[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Le?Yu的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意!]

【圖文導讀】

圖1.?HPCNFs-N的合成示意圖

通過靜電紡絲法將沸石咪唑酸酯骨架（ZIF-8）納米顆粒嵌入聚丙烯腈（PAN）納米纖維中。在惰性氣氛中900℃熱處理后，ZIF-8和PAN分解轉化成氮摻雜的碳，同時ZIF-8顆粒中的Zn²⁺還原成Zn并蒸發，形成多孔碳納米纖維。

圖2.?PAN/ZIF-8復合納米纖維的SEM和TEM表征

(a-c) PAN/ZIF-8復合納米纖維的SEM圖像。

(d) PAN/ZIF-8復合納米纖維的TEM圖像，ZIF-8均勻地分散在PAN納米纖維上。

圖3.?HPCNFs-N的SEM、TEM和HRTEM表征

(a-d)?HPCNFs-N的SEM圖像，(a)中小圖是折疊的HPCNFs-N樣品，材料具有良好的柔韌性。

(e, f)?HPCNFs-N的TEM圖，HPCNFs-N相比退火前形貌沒有發生明顯的改變，且HPCNFs-N是由空心的納米粒子組成的一維結構。

(g)?HPCNFs-N的HRTEM圖。

(h-k)?C、N、O元素的元素mapping圖。

圖4.?不同退火溫度(800℃、900℃、1000℃)下HPCNFs-N的XRD、EELS和XPS表征

(a)?HPCNFs-N-800，HPCNFs-N，HPCNFs-N-1000的XRD圖譜，證實了材料有小粒度的結晶碳組成。

(b)?HPCNFs-N-800，HPCNFs-N，HPCNFs-N-1000的Raman圖譜，材料I_D/I_G值隨著碳化溫度的升高而逐漸降低，說明材料石墨化的程度也隨著碳化溫度的升高而逐漸降低。

(c)?HPCNFs-N的EELS圖譜，樣品中N的含量為8.34±1.1 at%。

(d)?HPCNFs-N的N 1s峰。

圖5.?HPCNFs-N在H₂SO₄電解液中的電化學性能的表征

(a)?HPCNFs-N在不同掃描速率下的循環伏安曲線，曲線呈近似矩形，表明材料的電容主要為雙電層電容，曲線上的小凸起表明材料具有法拉第反應，其主要來源于HPCNFs-N表面上活性官能團。

(b)?HPCNFs-N在不同電流密度下的恒電流充放電曲線。

(c) HPCNFs-N-800，HPCNFs-N，HPCNFs-N-1000和C-N在不同電流密度下的比電容值。

(d) HPCNFs-N的循環穩定性，10000圈充放電循環后電容可以保持98.2%。

【小結】

本文的研究者們采用靜電紡絲和高溫碳化的方法合成了具有一維空心結構的碳材料—HPCNFs-N。這種材料大的比表面積和良好的離子/電子傳輸性能，使得以HPCNFs-N為電極組裝的超級電容器具有優異的電容性能。這種方法為制備碳電極材料，尤其是特定形貌以及摻雜的碳材料提供了新思路。

文獻鏈接：Designed formation of hollow particle-based nitrogen-doped carbon nanofibers for high-performance supercapacitors（Energ. Environ. Sci., 2017，DOI：10.1039/C7EE00488E）

本文由材料人編輯部劉瑜琳編譯，谷雨星審核，點我加入材料人編輯部。

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