西安交通大学唐伟教授EEM：用于高性能超级电容器的具有亚纳米微孔的 N 掺杂二维碳纳米片的通用策略

近日，西安交通大学唐伟教授、孙孝飞联合南京工业大学吴宇平教授团队在Energy & Environmental Materials上发表了题为“A Universal Strategy For N-Doped 2D Carbon Nanosheets With Sub-Nanometer Micropore For High-Performance Supercapacitor”的研究论文。该团队提出了一种简单而有效的无添加剂方法，通过煅烧过程中的自激活将块状层状邻苯二甲酰亚胺钾盐转化为新型氮掺杂二维碳片。获得的样品具有大尺寸扁平结构，横向尺寸约为10 µm，均匀的亚纳米微孔尺寸分布约为0.65 nm，比表面积高达2276.7m² g^-1，氮掺杂适宜。受益于这些优点，优化后的样品在 1 A g^-1 时提供了345 F g^-1 的高比电容，并且即使在 6.0 M KOH 电解液中50 A g^-1 时也保持了 270 F g^-1。值得注意的是，对称超级电容器在6.0 M KOH 和 1.0 M Na₂SO₄ 电解质中的最大能量密度分别为16.43Wh kg^-1 和 23.6 Wh kg^-1。重要的是，由于该方法的通用性和简单性，可以从具有层状结构的不同含钾盐合成具有均匀亚纳米微孔分布的未掺杂制备的碳片，可作为一种标志性模型深入研究亚纳米微孔对电容性能的影响。

文章简读

超级电容器因其功率密度高、充放电速率快、循环稳定性好等优点而受到广泛关注。然而，超级电容器的低能量密度限制了其进一步大规模的实际应用。通常，电极材料被认为是将超级电容器的能量密度推向特定目标的重要组成部分。在众多候选电极中，石墨烯、多孔碳、碳纳米管和碳纤维等碳材料由于其丰富的孔隙率、高导电性和可控的形貌，已成为超级电容器中使用的主流电极材料。近年来，二维 (2D) 碳薄片由于纳米相 Sp² 杂化碳在维度上独特的电子性质和物理化学性质而受到广泛关注。然而，由于曲折孔隙中离子传输的动力学限制，它仍然不能满足实际应用的要求。提高比电容的第一种方法是掺入杂原子（N，S，B，P）为碳，可以为赝电容提供丰富的活性位点，优化表面润湿性以降低接触电阻和增加电负性以获得更好的导电性。增大比表面积 (SSA) 已被证明是提高电容性能的有效方法。

窄的亚纳米孔(< 1 nm) 尺寸分散已被预测可实现前所未有的比电容，但在二维碳材料中很少实现。因此，具有丰富多孔开放形态和均匀亚纳米微孔径分散的二维碳纳米片将具有快速电荷存储的内在优势。此外，应了解亚纳米微孔对电容性能的影响，以开发先进的超级电容器。到目前为止，二维碳材料的合成方法大致可分为气相和液相合成两大类。气相法包括化学气相沉积（CVD）通过2D模板，可以生产完整的大尺寸二维碳纳米片。然而，该策略的复杂工艺和高成本限制了其大规模应用。液相法可以简单而大规模地生产碳纳米片，通过有机反应制备二维碳纳米。

但是这两种方法在制备过程中总是会导致小尺寸和破碎的颗粒，因此需要额外的纯化过程。此外，上述两种方法难以精确控制亚纳米微孔的分布，这也导致研究者对于亚纳米微孔有一定的争议。因此，一种通用且可扩展的方法可以很好地控制2D多孔纳米片上的亚纳米微孔非常具有挑战性。在此，通过简单的一锅活化和煅烧层状邻苯二甲酰亚胺钾盐，不添加任何额外的活化剂、模板或催化剂，合成了一系列 N 掺杂的高表面积大尺寸碳片(LCN)。最佳样品实现了横向尺寸约为10 µm的大尺寸2D纳米片，2276.7 m² g^-1的大比表面积，以及约0.65 nm尺寸的均匀亚纳米微孔分布。

图1.碳纳米片合成示意图。

图2. a) 基于LCN-750-3的SSC在1 M Na2SO₄ 中以10到 mV S^-1的不同扫率下测试的CV曲线；b) 在不同电流密度下测试的LCN-750-3的SSC的GCD曲线；c)基于LCN-750-3的SSC 在0.5 A g^-1至20 A g^-1不同电流密度下的比电容；d) 基于LCN-750-3的SSC的Nyquist图；e)基于LCN-750-3的SSC在10 A g^-1下的循环稳定性。f) 分别在 1.0 M Na₂SO4 和6.0 M KOH 中测试的基于LCN-750-3的SSC的Ragone图。

文献链接

Jiangqi Zhou , Li Jiang, Chengyong Shu, Long Kong, Iqbal Ahmad, Ya-Nan Zhou, Wei Tang* , Xiaofei Sun*, and Yuping Wu*. A Universal Strategy For N-Doped 2D Carbon Nanosheets With Sub-Nanometer Micropore For High-Performance Supercapacitor.

Energy Environ. Mater. 2020.

DOI: 10.1002/eem2.12137.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12137

本文由EEM期刊投稿。