氮和硼共摻雜多孔碳納米片，用于高性能超級電容器

1成果簡介

超級電容器因其超快充放電速率、超長循環(huán)壽命和高功率密度等優(yōu)勢，在儲能領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，如何設(shè)計兼具高比表面積、豐富活性位點、快速離子擴(kuò)散通道和優(yōu)異導(dǎo)電性的碳基電極材料，仍是實現(xiàn)高性能超級電容器的核心挑戰(zhàn)。多孔碳納米片具有短的離子擴(kuò)散距離和低的離子擴(kuò)散阻力，是極具潛力的超級電容器電極材料。

本文，東北林業(yè)大學(xué)吳小亮教授、北京生命科學(xué)學(xué)院Faliu Yang等在《Advanced Sustainable Systems》期刊發(fā)表名為"Nitrogen and Boron Co-Doped Porous Carbon Nanosheets for High Performance Supercapacitor"的論文。該研究提出了一種簡單高效的靜電自組裝-碳化策略：以聚丙烯酰胺（PAM）和氧化石墨烯（GO）為前驅(qū)體，通過正負(fù)電荷間的靜電自組裝構(gòu)建層狀復(fù)合前驅(qū)體，再以氨硼酸（ammonia borate）為氮/硼雙源摻雜劑，經(jīng)高溫碳化成功制備了氮/硼共摻雜多孔碳納米片（NBPC-800）。

PAM的豐富含氮官能團(tuán)（—NH?、—C=O）與GO表面的含氧官能團(tuán)（—COOH、—OH）通過靜電相互作用緊密結(jié)合，在碳化過程中原位形成N/B共摻雜的二維多孔碳骨架。氨硼酸同時作為N/B源和造孔劑，在熱分解過程中釋放氣體（NH?、BH?等）原位刻蝕產(chǎn)生豐富的微/介孔。優(yōu)化后的NBPC-800碳納米片具有獨特的二維多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積和豐富的氮/硼官能團(tuán)，在0.5 A g?1下展現(xiàn)出330.3 F g?1的高比電容及優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，構(gòu)建的NBPC-800//NBPC-800對稱超級電容器實現(xiàn)了24.9 Wh kg?1的能量密度。

2圖文導(dǎo)讀

圖1、(a) SEM image of NBPC-800. (b) TEM image of NBPC-800. (c) SEM image of NBPC-800, and corresponding elemental mapping images of C (d), O (e), N (f), B (g).

圖2、(a) XRD patterns of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900. (b) Raman spectrum of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900. (c) XPS survey spectrum of NBPC-800. (d) N 1s spectra of NBPC-800.

圖3、(a) N2 adsorption/desorption isotherms of NBPC-700, NBPC-800 and NBPC-900. (b) Pore sizes distribution of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900.

圖4、(a) CV curves of NBPC-800 at different scan rates. (b) GCD curves of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900 at 1 A g?1. (c) GCD curves of NBPC-800 at various current densities. (d) Specific capacitances of NBPC-700, NBPC-800, and NBPC-900 at different current densities. (e) Nyquist plots of NBPC-700, NBPC-800 and NBPC-900. (f) Electrochemical stability of NBPC-800 for 10000 cycles.

圖5、(a) CV curves of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at different voltage ranges. (b) CV curves of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at different scan ranges. (c) GCD curves of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at various current densities. (d) Specific capacitances of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor at different current densities. (e) Ragone plots of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor. (f) Electrochemical stability of NBPC-800//NBPC-800 symmetric supercapacitor for 10000 cycles.

3小結(jié)

總而言之，該工作提出了一種基于聚丙烯酰胺（PAM）與氧化石墨烯（GO）靜電自組裝的簡便策略，結(jié)合氨硼酸N/B雙源摻雜，成功制備了氮/硼共摻雜多孔碳納米片（NBPC-800）。PAM與GO之間的靜電相互作用確保了前驅(qū)體的均勻復(fù)合，氨硼酸的分解實現(xiàn)了N/B原位共摻雜與同步造孔。優(yōu)化后的NBPC-800兼具二維納米片形態(tài)、分級多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積和豐富的N/B活性位點，在三電極體系中實現(xiàn)了330.3 F g?1（0.5 A g?1）的高比電容和優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，構(gòu)建的對稱超級電容器展現(xiàn)出24.9 Wh kg?1的能量密度。該工作為通過高分子靜電自組裝-雜原子共摻雜協(xié)同策略設(shè)計高性能碳基超級電容器電極材料提供了一種簡單、高效、可擴(kuò)展的新思路。

文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1002/adsu.70479Digital Object Identifier (DOI)

來源：材料分析與應(yīng)用