中国石油大学胡涵团队在ACSSust [复制链接]

本文要点：

中国石油大学（华东）化学工程学院新型碳材料研究室胡涵教授团队，使用松子壳，丰富的生物质废料作为前体，在活化过程中在KOH和三聚氰胺的协同作用下生产掺氮多孔碳纳米片。

1介绍

化石燃料即将短缺以及对环境污染日益增加的担忧要求能源储存设备的创新以解决这些紧迫问题。超级电容器是一种很有前途的能量存储设备，因为它们具有优越的循环性和非凡的功率密度等优点。通常，多孔碳材料是超级电容储能材料的主要候选材料，其中大的比表面积，丰富的孔隙率和突出的导电性可通过电双层机制促进离子的快速吸附/解吸。石墨烯在该领域的兴起也促进了其他二维碳纳米材料的研究兴趣和应用，包括碳纳米片和碳纳米片。从可持续性的角度来看，追求可再生碳源和探索简便而经济的合成工艺对于将石墨烯及其碳基类似物引入真正的储能应用尤为重要。

图形概况

许多种生物质，如蚂蚁粉，鸡蛋壳，大蒜皮，大豆，和虾壳，已被广泛研究作为前体碳材料。作为食品工业中最丰富的产品之一，松子每年消耗数万吨。因此，也产生了相当大量的松子壳，其主要以低价值应用结束。这将造成巨大的资源浪费并增加我们的环境负担。显示松子壳含有比许多其他种类的生物质更高的固定碳含量用于活性炭生产。因此，松子壳可以是有前途的原料，具有制备碳材料的较高产率的特征。此外，松子壳具有高氧含量和一定量的氮。生物材料的碳化可以允许其自身的氧和氮被最终的碳产物遗传，以提高电化学性能。在本文中，我们证明了采用温和改性的KOH活化方法来生产使用松子壳作为原料的掺氮多孔碳纳米片（PCN）。在简单洗涤和预碳化后，将所得材料与KOH以及三聚氰胺混合以活化。由于结构和组成优点，氮掺杂多孔碳纳米片为电容能量收集提供了出色的性能。这里提出的策略可能会激发新的可能性，可持续生产石墨烯和石墨烯类材料，用于先进的能量储存。

2成果简介

三聚氰胺的使用在制备二维碳纳米片方面特别重要。没有三聚氰胺，使用KOH活化预碳化松子壳（图S1a）只能产生几微米的碳微粒（图S1b和图1a），类似于典型的活性炭。（19）当三聚氰胺在激活过程中被结合，显著形态变化已观察到（图1的B-d）。

图1.（a）PCN1-3-0，（b）PCN1-3-0.5，（c）PCN1-3-1和（d）PCN1-3-2的SEM图像。图（c）中的插图是PCN1-3-1在更高放大倍数下的SEM图像。

图2.低（a）和高分辨率（b）下PCN1-3-1的TEM图像。单个纳米片（c）与均匀分布的（d）C，（e）N和（f）O的元素映射。

图3.（a）PCN1-3-0.5，PCN1-3-1和PCN1-3-2的全范围XPS光谱。（b）PCN1-3-1的N1s谱。（c）碳网络中N的可能位置的图示。（d）PCN1-3-1的水接触角测量。

从氮吸附等温线推导出对电化学应用至关重要的碳材料的比表面积和孔径分布。在图4一个，所有这些吸附等温线是典型的I形。

图4.（a）PCNs的N2吸附等温线和（b）它们的孔径分布曲线。

图5.在三电极配置中评估的PCN的电化学性能。（a）以mVs-1的高扫描速率记录的PCN的CV曲线。（b）PCN1-3-1的CV曲线，扫描速率范围为2至mVs-1。（c）在电流密度为1Ag-1时获得的PCN的GCD曲线。（d）PCN1-3-1的GCD曲线，电流密度为0.5至20一个g-1。

在具有6MKOH的含水电解质的双电极系统中评估基于PCN的超级电容器。图6示出了以10毫伏s的扫描速率的PCN类为基础的超级电容器的CV曲线-1。

图6.（a）PCNs的CV曲线，扫描速率为10mVs-1。（b）PCN1-3-1在不同扫描速率（10,20,50,和mVs-1）下的CV曲线。（c）中PCN在电流密度为0.1A克-1时的GCD曲线。（d）不同电流密度下PCN的比电容。（e）中PCN的奈奎斯特图和（F）PCN1-3-1的测量奈奎斯特图产品与计算的奈奎斯特图产品的比较（插入是等效电路模型）。

图7中的所有GCD曲线b表现出完美的对称性，表明良好的可逆性。

图7.（a）在1MNa2SO4的含水电解质中的不同电位窗内，在20mVs-1的扫描速率下PCN的CV曲线。（b）GCD曲线和（c）基于PCNs的超级电容器在不同电流密度下的比电容。（d）在1M的Na2SO4水溶液中的超级电容器与PCN1-3-1电极的Ragone图。

3小结

总之，已经提出了一种有效且成本有效的策略，通过与KOH和三聚氰胺的组合活化，使用松子壳（一种富含地球的生物质作为前体）来生产掺氮多孔碳纳米片。由于前体成本低，过程容易，这种策略具有很大的实施前景。此外，所制备的材料的结构优点，例如合适的孔径分布和合适的杂原子掺杂，对于稳健的电容能量收集是非常需要的。因此，基于最佳碳纳米片超级电容器提供的FG-1一个有吸引力的比电容0.05AG-1，优异的速率能力和长的日历寿命。这里开发的这种有效且简便的途径可为大规模生产用于先进能量储存的生物质衍生的碳纳米材料提供巨大益处。

参考文献：

来源：文章来自ACSSustainable网站，由材料分析与应用整理编辑。