最大化利用孔道结构和杂原子,助力高性能碳基超级电容器

高效清洁能源长期以来都是人们孜孜不倦、奋力追求的理想能量使用形式,其中碳基超级电容器由于具有超高的功率密度而受到科研工作者的深切关注,并在电子消费市场中占有重要地位。然而,相比于电池,碳基超级电容器在工作原理上主要依赖于表面电荷存储机制,由此带来的低能量密度(当前成熟的商品化超级电容器的能量密度仅为~10 Wh/kg)是制约其进一步拓宽市场份额的主要瓶颈。为进一步提升碳基超级电容器的能量密度,当前公认的有效策略包括:

1.增加碳基材料的比表面积和设计多级次孔道结构,以提高电极材料的整体电荷存储容量;

2.引入杂原子以增加电极材料表面的赝电容贡献。然而,如何更加高效地利用这些孔道结构和杂原子,仍需系统地深入分析和考察。

近日,河北农业大学肖志昌教授课题组报道了一种聚吡咯纳米管衍生的氮/磷共掺杂碳纳米管(简写为Px-ppyNT)模型体系,分析并阐释了其在提高碳基超级电容器中孔道结构和杂原子利用效率的研究方法和思路。相比于传统碳基超级电容器中人们所片面追求的高比表面积,该团队发现设计高电化学表面积(ECSA)具有更重要的意义。由此得到的最优化Px-ppyNT电极材料,得益于其高效的孔道结构和杂原子利用率,在中性电解液体系中表现出高达25.3 Wh/kg的能量密度。相关工作发表在《J. Mater. Chem. A》上,河北农业大学研究生罗新英为本文第一作者,国家纳米科学中心杨琪博士为本文共同第一作者。本研究工作得到了河北省自然科学基金和河北农业大学人才启动经费的支持。

研究人员采用甲基橙(MO)-氯化铁组装体为模板,利用吡咯分子在其表面的定向聚合反应并进一步去除模板的方法,得到了具有空心管状结构的聚吡咯纳米管。随后利用磷酸活化与高温热解的协同策略,成功实现了氮/磷共掺杂碳纳米管(Px-ppyNT)的制备。

河北农大肖志昌团队《JMCA》:最大化利用孔道结构和杂原子,助力高性能碳基超级电容器

通过系统的结构分析表明,Px-ppyNT随着磷酸用量的不同,而展现出比表面积、孔结构、杂原子形态的规律性演变。

河北农大肖志昌团队《JMCA》:最大化利用孔道结构和杂原子,助力高性能碳基超级电容器

三电极体系下的材料电化学分析测试表明,Px-ppyNT的电化学性能与其ECSA变化趋势相一致,呈现出明显的火山图走势;而与其比表面积(SA)的变化趋势显著不同。由此进一步研究并揭示了电极材料的电容性能与ECSA的关联度更密切。

河北农大肖志昌团队《JMCA》:最大化利用孔道结构和杂原子,助力高性能碳基超级电容器

受此启发,作者提取了倍率性能保持率(指示孔结构利用率)和赝电容密度(指示杂原子利用率)两个性能参数为性能指标,并与ECSA、比表面积分别做了构效关系的研究。研究结果充分证明了ECSA的数值大小直接决定了孔道结构和杂原子的利用效率。

河北农大肖志昌团队《JMCA》:最大化利用孔道结构和杂原子,助力高性能碳基超级电容器

在此基础上,具有最大化孔结构和杂原子利用效率的Px-ppyNT展示出高达25.3 Wh/kg的能量密度。

河北农大肖志昌团队《JMCA》:最大化利用孔道结构和杂原子,助力高性能碳基超级电容器

本文通过模板表面的定向聚合反应策略,并结合化学活化与高温热交联工艺,巧妙地设计了适于研究碳基超级电容器构效关系的材料模型体系,并为设计高能量密度的碳基超级电容器提供了新的视角。

全文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06238c

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