石河子大学《JPS》：杂原子掺杂多级多孔石墨烯，用于超高电容超级电容器

成果简介

本文，石河子大学Wen Guo、Fuxi Bao等研究人员在《Journal of Power Sources》期刊发表名为“Heteroatoms-doped hierarchically porous graphene as electrode material for supercapacitors with ultra-high capacitance”的论文 ，研究成功地开发了一种双层热解策略，用于合成高度皱缩的石墨烯（N-TRPG-800）。该石墨烯的合成基于 d(+)- 葡萄糖胺盐酸盐的碳化和氮化石墨碳（g-C₃N₄）在纳米锌颗粒（Zn NPs）存在下的空间约束效应。在热解过程中，d(+)-氨基葡萄糖盐酸盐首先聚合成g-C₃N₄层，而g-C₃N₄来自三聚氰胺。之后，热解温度进一步升高导致g-C₃N₄分解并产生还原性NH₃气体，最终形成二维超薄结构和高杂原子掺杂度。

同时，Zn NPs 的挥发也对孔隙的形成和分层结构的生成起到了关键作用。因此，合成的石墨烯片同时具有分层多孔结构、高杂原子掺杂度和大比表面积（506 m²g^-1）。电化学测量结果表明，在三电极模式下，N-TRPG-800 在 0.2 A g^-1的条件下显示出 471 F g^-1的超高电容，接近石墨烯 550 F g^-1的理论电容，优于文献中最先进的掺杂杂原子的多孔碳。

图文导读

图1.N-TRPG-800的合成过程示意图。

图2.中间 N-TRPG-650 （a， d） 和 N-TRPG-800 （b， c， e， f） 的 SEM 和 TEM 图像;N-TRPG-650 （g， h） 和 N-TRPG-800 （i） 的 HRTEM 图像;N-TRPG-800（j）元素映射图像：C（蓝绿色），N（紫色），O（黄色）元素。

图3.（a） XRD图谱，（b）拉曼光谱，（c）N2吸附/解吸等温线，（d）N-TRPG-C、N-TRPG-750、N-TRPG-800和N-TRPG-850的孔径分布。

图4.（a） 制备样品的XPS调查光谱;N-TRPG-800 的 （b） C 1s、（c） O 1s 和 （d） N 1s XPS 光谱的高分辨率。

图5、使用三电极装置，在6.0 M KOH水性电解质中，通过循环伏安法（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）评估了样品的电化学性能

图6.各种杂原子掺杂碳材料的比电容比较

图7.N-TRPG-800//N-TRPG-800对称SCs的电化学测试结果

小结

总之，开发了一种双模板热解策略，用于合成具有分层结构、高杂原子掺杂度、大表面积和高孔隙率特点的高皱缩石墨烯薄片。该策略利用三聚氰胺聚合产生的g-C₃N₄的约束效应作为第一自人工模板，并利用 Zn NPs 的挥发作为第二自人工模板。在热解过程中，g-C₃N₄的分解会释放出NH₃气体，形成还原气氛，从而形成二维超薄结构并提高氮掺杂度。锚定在碳基体上的 Zn NPs 通过挥发过程促进了皱缩和分层多孔结构的形成。

凭借这些突出特点，优化后的 N-TRPG-800 样品在 0.2 A g^-1的条件下可实现 471 F g^-1 的超高超级电容，优于文献中最先进的碳材料，并接近石墨烯的理论电容值。使用 N-TRPG-800 制作的对称超级电容器在 5 A g^-1 的条件下循环 10,000 次后仍能保持 100% 的初始电容。然而，我们不得不承认，N-TRPG-800 的优异超级电容性能主要是在低电流密度（如 0.2 A g^-1）下实现的，其速率能力较差。此外，所制造电池的超级电容性能也不尽如人意。因此，仍需努力进一步提高这种材料的速率能力，并探索其在设备中的应用。不过，这项工作为优化碳材料的表面化学和多孔结构以提高其电化学储能性能提供了一种有效的策略。

文献：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234474