西安理工大学《AMT》：废矿泉水瓶为原料制备多孔碳复合材料，用于超级电容器

成果简介

碳材料因其完美的充放电行为、相对低廉的成本和出色的电化学稳定性而成为超级电容器（SC）的焦点，但有限的电化学活性限制了其进一步发展。MXenes（Ti3C2Tx）兼具高导电性、亲水性和丰富的表面官能团，与碳材料复合后可产生高能量密度。本文，西安理工大学任鹏刚 教授团队在《Advanced Materials Technologies》期刊发表名为“Electrostatic Self-Assembly Heterostructured MXenes/ Wasted PET-Derived Carbon for Superior Capacitive Energy Storage”的论文，研究用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对从矿泉水瓶中提取的碳材料进行了改性，在静电相互作用下，碳材料自发地与Ti3C2Tx形成多孔异质结构。

碳材料阻碍了Ti3C2Tx 的再聚集，而Ti3C2Tx则提高了碳材料表面的电化学活性。分层多孔碳的比表面积高达 1754.3^m2g-1，促进了电解质迁移动力学，在 6m KOH 电解质中具有很高的比电容（1A^g-1 时为 404.1 F g-¹）。在 1.5 mNa2SO4中，制备的对称 SC 碳电极具有更宽的电压窗口（1.8 V）、最佳的能量密度（功率密度为 450 W^kg-1时为 31.19 Wh^kg-1）和较低的电容衰减（15 000次循环后为 1%）。具有独特结构的电极材料的制备为废塑料的增值利用提供了一种实用的创新策略。

图文导读

图1、通过自组装方法制备多孔MAPC的示意图。

图2、a) 阳离子改性碳、PC 和 MXenes 的 Zeta 电位；b) MAPC 的 XRD 图谱；c,d) PC、e,f) APC、g,h) MAPC 的 SEM 图像；i) MAPC 的 EDS 图谱，包括 C、O、F、Ti 等所有元素。

图3、a) MAPC 的 XPS 光谱，b) C 1s、c) O 1s、d) Ti 2p 的高分辨率 XPS 光谱。

图4、a) PC、APC 和 MAPC 的拉曼光谱；b) CHPC-800 的拉曼拟合曲线；c) 氮吸附等温线；d) PC、APC 和 MAPC 的孔径分布。

图5、a) 不同扫描速率下 MAPC 的 CV 曲线；b) 不同电流密度下 MAPC 的 GCD 曲线；c) 不同电流密度下的比电容；d) 每种碳材料的对数ivs 对数v；e) MAPC 的表面或扩散控制贡献百分比；f) 每种碳材料的奈奎斯特图；g) 在所有样品的中间频率范围内，Z’ vs 频率平方根的倒数（ω-0^.5）；h) 归一化实电容；i) 对频率的虚电容响应。

图6、a) 基于 MAPC 的对称超级电容器的电化学测量：在 6 m KOH 电解液中，b) 以不同扫描速率测试的 CV 曲线，c) 以不同电流密度测试的GCD曲线；在 1.5 M_Na2SO4电解液中，d) 以50mV^s-1 的速率在不同电位窗口测试的CV曲线，e) 以不同扫描速率测试的 CV 曲线（低于1.8 V），f) 以不同电流密度测试的GCD曲线（低于1. 8V下）；g) MAPC//MAPC 在_KOH/Na2SO4中的 Nyquist 图，插图为 bode 图；h) MAPC//MAPC 和报告的废塑料衍生器件的能量密度与功率密度的 Ragone 图；i) 15 000次循环后 10 A^g-1的循环性能

小结

综上所述，研究利用材料的不同电负性，用CTAB对废矿泉水瓶中提取的碳材料进行改性，并与Ti3C2Tx 进行静电组装，从而制备出具有异质结构的多孔碳材料。Ti3C2Tx的引入不仅保护了 MAPC 的多孔结构，还提高了其电化学活性。得到的 MAPC 具有 1754.3^m2 g-1 的高比表面积和丰富的电化学活性位点，因而具有优异的电化学性能。在三电极系统中，MAPC 在 1 A^g-1 的条件下具有 400.6 F^g-1的高比电容。在双电极系统中，组装后的超级电容器（MAPC//MAPC）在功率密度为 450 W^kg-1时具有 31.19 Wh^kg-1的高能量密度，而且电容衰减较低（15 000 次循环后衰减 1%）。本文介绍了提高废塑料增值利用的方法，并提出了合成性能优异的超级电容器电极材料的创新方法。

文献：https://doi.org/10.1002/admt.202301766