杂原子掺杂生物质碳材料的制备及其应用研究

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杂原子掺杂的生物质衍生多孔碳超级电容器电极材料是由生物质为前驱体通过一系列反应制备的应用于超级电容器的电极材料,具有众多的催化活性位点以及化学稳定性,大表面积和高电导率,是能量转换和存储设备的理想选择。杂原子(氮、磷、氧等)掺杂可以改善能源应用所需的电化学性能,高度活跃且强大的生物质衍生多孔碳的可扩展且低成本的生产至关重要,可以通过使用低成本,可大量获得的可持续生物质来实现。在本文中,我们选取了两种生物质废料(桃胶和苘麻叶)作为前驱体,使用绿色可持续战略合成了杂原子掺杂多孔碳,并通过一系列的测试对其形貌结构,化学成分和电化学性能进行了分析:(1)氮、氧掺杂的层状多孔碳(NLPC)的有序设计。制备过程中,乙酸锰用作催化剂,氯化钾用作造孔剂,尿素作为碳源,这样的组合模板是用于多孔碳的结构控制和功能化的策略。制备的碳电极在6 M KOH中的电流密度为0.5 A g-1时获得402 F g-1的质量比电容,长循环稳定性(10,000次循环后保留99.5%的质量比电容)和丰富的表面杂原子(O原子为9.53%,N原子为14.04%)。此外,制备的对称超级电容器(NLPC-700//NLPC-700)在碱性电解质中0.5 A g-1的电流密度下比电容为47.3 F g-1,具有出色的循环寿命(在10000次循环后比容量保留了99.1%),能量密度为350W kg-1时功率密度为13 Wh kg-1。(2)废桃胶和其他绿色资源通过浸渍和碳化过程转化为氮、磷-共掺杂和富氧的层状互连多孔碳(HIPC)。其中,熔融盐氯化钾和乙酸锰协同作用(成孔剂和催化剂),磷酸氢二铵用作杂原子掺杂剂,生产的HIPC具有致密而坚实的多孔结构。具有最佳比例的样品HIPC-2的比表面积为1635 m~3 g-1,在碱性电解液中在1 A g-1的电流密度下具有490 F g-1的高比电容。更重要的是,组装的对称超级电容器(HIPC-2//HIPC-2)在碱性电解液6 M KOH中1 A g-1的电流密度下具有216.2 F g-1的高比电容,最大能量密度在799.8 W kg-1时可以达到76.87 Wh kg-1的功率密度,并具有出色的循环寿命(10000个周期后电容损耗仅为10.1%)。(3)通过使用具有天然仿生结构的苘麻叶,通过预先嵌入的N、P和CeO2激活的空位缺陷效应,可以设计出高度互连的3D双活化多孔碳(CeO2/ANPC)。由于氮、磷、官能化的氧和CeO2颗粒纳米结构的共掺杂,所制备的CeO2/ANPC杂化材料具有优异的电化学性能,高比容量(在1 A g-1下为550 F g-1)以及良好的循环稳定性(10000次循环后,损耗率为7.2%)。并且由CeO2/ANPC杂化材料组装而成的对称超级电容器在1 A g-1的电流密度下具有212 F g-1的高比电容,具有令人满意的能量密度(83.2 W kg-1,功率密度为711.1 Wh kg-1)。
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