【NCM】秦洁琼博士/吴忠帅研究员 ： 二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片的可控合成及其高性能微型超级电容器

近年来，随着微型化芯片式电子设备及其集成微系统的快速发展，亟需开发与之匹配的高性能微型超级电容器。那么，寻找合适的电极材料被认为是提高微型超级电容器能量密度的关键之一。氮掺杂炭/石墨烯纳米片作为一类突出的石墨烯基二维材料，具有高的比表面积、多的活性位点、超薄的厚度、较高的赝电容、优异的导电性和良好的浸润性。同时，介孔结构的引入可以进一步增大材料的比表面积，提高材料和器件的容量和循环性能。因此，设计合成二维介孔氮掺杂炭/石墨烯（mNC/G）材料，并将其应用于微型超级电容器具有重要意义。

河南农业大学的秦洁琼博士课题组和中科院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员课题组合作，报道了一种孔径可调的mNC/G纳米片，并将其应用于高性能的平面微型超级电容器。通过以苯胺为前驱体，氧化石墨烯为二维导向剂，二氧化硅纳米球为介孔模板，可以实现mNC/G介孔孔径的精确调控和其电化学性能的优化。研究表明，7 nm孔径的介孔氮掺杂碳/石墨烯（mNC/G-7）展现出最高的比表面积（433 m²g^-1）和比电容（267 F g^-1），且应用于准固态平面微型超级电容器表现出21.0 F cm^-3的体积比电容和1.9 mWh cm^-3的体积能量密度。该研究工作发表在《新型炭材料（中英文）》上，题目为：二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片的可控合成及其高性能微型超级电容器。

图1 2D mNC/G纳米片的合成示意图

图2 2D mNC/G的结构表征图：（a-c）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的TEM图，（d-f）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的HRTEM 图

图3 2D mNC/G 的电化学性能：（a）mNC/G-7的CV 曲线，（b）mNC/G-7的GCD 曲线，（c）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22在1 A g^-1时的 GCD曲线，（d）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22比电容随电流密度变化的曲线，（e）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的EIS 图，（f）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的循环性能

图4 mNC/G-MSCs的电化学性能：（a）微电极的俯视SEM和（b）横截面SEM图，（c）mNC/G-MSCs在5～100 mV s^-1下的CV曲线，（d）mNC/G-MSCs在 0.05～1 mA cm^-2下的GCD 曲线，（e）mNC/G-MSCs比电容随扫描速率的变化曲线，（f，g）1～3个器件并联的CV和GCD 曲线，（h，i）1～3个器件串联的CV和GCD曲线

图5 mNC/G-MSCs的Ragone图：（a）mNC/G-MSCs的面积能量密度和功率密度曲线，（b）mNC/G-MSCs体积能量密度和功率密度曲线

该工作构筑的准固态平面微型超级电容器（mNC/G-MSCs）表现出高的体积能量密度 （1.9 mWh cm^-3），优于目前报道的很多石墨烯基微型超级电容器。而且，mNC/G-MSCs还具有出色的串/并联自集成能力和电化学一致性。因此，这项工作通过二维石墨烯基介孔材料的可控制备和微型超级电容器有效构筑，对微型化芯片式电子产品的发展具有一定的参考意义。

文章信息

YANG Zhi, ZHOU Feng, ZHANG Hong-tao, QIN Jie-qiong, WU Zhong-shuai. Controllable synthesis of 2D mesoporous nitrogen-doped carbon/graphene nanosheets for high-performance micro-supercapacitors. New Carbon Mater., 2022, 37(5): 936-943.

期刊官网：http://xxtcl.sxicc.ac.cn

国际版主页：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials/

通讯作者简介

秦洁琼，河南农业大学校聘教授，校拔尖人才，硕士生导师。2020年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，主要从事二维介孔纳米材料的可控制备和微型储能器件的应用研究。目前已在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Electrochem. Energy Rev.，Energy Storage Mater.等主流刊物上发表学术论文40余篇，其中第一/共一作者论文共12篇；申请专利7项，其中已授权3项。主持国家自然科学基金1项，参与完成多项国家重点项目等课题。

吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师，催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组组长（508组），国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士。主要从事二维材料与高效电化学能源的应用基础研究，包括柔性化、微型化平面储能器件、超级电容器、先进电池和能源催化。目前已在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Chem，Natl. Sci. Rev.等期刊发表论文220余篇，其中第一/通讯作者论文共150余篇。所有文章被SCI他引29000余次，36篇论文入选ESI高被引论文；申请国家发明专利90余项，其中授权17项；申请国际标准/国家标准各1项、获批国家标准1项。先后获第十三届辽宁青年科技奖、中科院引进“海外杰出人才”终期评估优秀奖、国家自然科学二等奖、辽宁省自然科学一等奖、全球同行评审奖、Nano Research新锐青年科学家、爱思唯尔Energy Storage Materials青年科学家、中科院大连化物所张大煜优秀学者、中科院大连化物所冠名奖-优秀导师奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学-澳大利亚必和必拓优秀导师奖、沙特基础工业公司-中国科学院大学优秀导师奖等多项奖励/荣誉。