1成果简介 生物质炭具有来源广、成本低、环保等优点,已被广泛应用于电化学储能领域。本文,山西师范大学Hao Wu等研究人员在《Chemistry - A European Journal 》期刊发表名为“One-Step Carbonization Synthesis of N, S Co-Doped Carbon Materials Derived from Agricultural Waste Peanut Shells for High-Performance Symmetric Supercapacitors”的论文,研究以花生壳为碳源,硫脲为活化剂,制备了N和S共掺杂碳材料。当花生壳和活化剂的用量分别为2g和4g时,制备的NSPC-4具有最大的比表面积和特殊的孔隙结构。元素分析表明,活化剂为碳材料引入了更多的 N、S和O原子,更多的杂原子有助于改善碳材料的表面结构,提供额外的赝电容。此外,NSPC-4 还含有短程有序石墨结构,可提供出色的导电性。电化学测试结果表明,NSPC-4 具有最大的比电容。当活化剂的质量大于或小于4g时,碳材料的电化学性能会降低。当功率密度为350W kg-1 时,NSPC-4组装的对称超级电容器(SSC)的能量密度为8.3Wh kg-1。该合成方法不仅简单、绿色、经济,而且具有重要的应用价值。 2图文导读
图1.碳材料的形成过程示意图。
Fig2. (a) XRD spectrum, (b) Raman spectrum, (c) FTIR spectrum, XPS spectra of different samples: (d) XPS survey spectra; (e) C1s spectra, (f) N1s spectra, (g) S2p spectra and (h) O1s spectra.
图3.(a) N2吸附和解吸等温线;(b)试样孔径分布曲线
图4.(a) PC, (b) NSPC-3, (c) NSPC-4和(d) NSPC-5的SEM图像;(e) NSPC-4的HRTEM图像,(f) NSPC-4的元素映射结果。
图5.比较4种样品的电化学性能。
图6.NSPC-4//NSPC-4-ssc电化学性能 3小结 综上所述,以花生壳为碳源,硫脲为活化剂制备了N, S共掺杂碳材料,实现了碳材料微观结构和杂原子含量的同步调控。与未掺杂碳材料相比,N, S共掺杂碳材料具有更大的比表面积和更高的杂原子含量,且在最优条件下制备的NSPC-4具有优异的电化学性能。当电流密度为1Ag-1时,比电容达到159Fg-1,当电流密度进一步增加到5Ag-1时,比电容保持125Fg-1。此外,基于NSPC-4构建的SSC在0.5Ag-1电流密度下的比电容为30.5Fg-1,对应的能量密度为8.3Wh kg-1。稳定性试验表明,经过20000次充放电后,SSC的容量保持率为86%。 这些结果表明,NSPC-4在储能领域的应用可以解决传统生物质基碳材料由于孔结构简单、杂原子含量低而导致的比电容低的问题,也为制备廉价、高性能的碳基电极提供了新的思路。值得一提的是,影响NSPC-4规模化生产的因素是高温热解需要高温耐腐蚀设备,高温热解能耗大,尤其是规模化生产,运行成本将显著增加。同时,在扩大生产过程中难以保持合成工艺的稳定性,如温度、升温速度等,高温操作会带来安全隐患。此外,不同来源的花生壳可能具有不同的物理和化学性质,必须保证原料的一致性,以稳定生产质量。 文献:
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