ZIF-8衍生氮摻雜分層多孔碳材料用於高性能超級電容器的碳氣凝膠

2020-12-03 材料分析與應用

本文要點：

ZIF-8衍生的多孔碳負載在衍生自殼聚糖的碳氣凝膠上。具有中等N含量的分級多孔結構。具有3075.5m 2 / g 的超高比表面積。具有大的比電容和出色的循環穩定性。

成果簡介

本文，使一種簡易原位沉積方法結合隨後的碳化作用，使用殼聚糖製備由ZIF-8衍生的多孔碳（ZIF-8-C）固定的氮摻雜碳氣凝膠（CA）。交錯納米片具有3D中孔結構的CA可用作生長ZIF-8衍生的微孔碳的骨架。中孔和微孔的共存不僅可以為電解質離子的進入創造更多的通道，而且可以提供雙電層電容。電化學性能的結果表明，ZCCA複合電極在2.0 M KOH電解質中以0.5 A / g的電流密度顯示241.6 F / g的大比電容和優異的循環性能（5000次循環後容量保持率90％）。電化學性能的改善歸因於其分級的多孔結構，超高的比表面積和適度的氮含量。該方法為高性能儲能應用提供了CA支持的MOF衍生材料的智能設計。

圖文導讀

圖1。ZIF-8和殼聚糖氣凝膠形成ZCCA複合材料的自組裝機理示意圖。

圖2。（a）殼聚糖氣凝膠和CA照片，（b）輕質CA立在花上（c）CA的SEM圖像。

圖3。（a）ZIF-8，（b）ZIF-8-C得SEM圖像和（c）ZIF-8，（d）ZIF-8-C得TEM圖像。

圖4。（a）ZCCA複合材料的SEM圖像，（b）ZCCA複合材料的TEM圖像，（c，d）碳和氮的元素映射結果。

圖5。（a，c）ZIF-8-C和ZCCA複合材料在不同掃描速率下的CV曲線

（b，d）ZIF-8-C和ZCCA複合材料在不同電流密度下的GCD曲線。

小結

通過便捷的原位沉積方法結合隨後的碳化來合成CA負載的ZIF-8衍生的多孔碳。由於其分層的多孔結構，超高的比表面積和適度的氮含量，ZCCA複合電極在電流密度為0.5 A / g時表現出更大的比電容241.6 F / g和出色的循環性能。該設計思想將對未來的研究方向具有指導意義，並可擴展為將其他MOF衍生的材料與CA組裝在一起，可能會發現在氣體存儲/分離，化學傳感器，催化以及能量存儲和轉換應用領域中的潛在應用。

文獻：

Nitrogen-doped Hierarchical Porous Carbon Derived from ZIF-8 Supported on Carbon Aerogels with Advanced Performance for Supercapacitor

作者：

MeixiaWang，JingZhang，XibinYi，XinfuZhao，BenxueLiu，XiaochanLiu

相關焦點

  • 江蘇大學：生物質氮摻雜碳氣凝膠在電催化和超級電容器中的應用
    最重要的是，大多數生物質材料都具有氮功能，可以在不添加任何添加劑的情況下原位摻雜（自摻雜）雜原子（例如N），從而產生其他缺陷和具有增強的電子密度和電子貢獻屬性的活性中心。本文總結了近十年來生物質衍生的碳氣凝膠的電化學應用，特別是在水電解，金屬空氣電池，燃料電池和超級電容器等領域。簡要強調了當前的研究挑戰和未來的方向。
  • 桉樹衍生的雜原子摻雜分級多孔碳作為超級電容器的電極材料
    圖片來源百度百科碳基超級電容器本文，通過ZnCl2活化和NH4Cl吹塑協同作用製備桉樹來源的氮/氧摻雜的分級多孔碳（NHPC）。具有高比表面積，合理的孔隙率和足夠的N / O摻雜等優點。這些優良的物理化學特性使其在超級電容器中具有優異的電化學性能：在三電極系統中，在0.5 A g−1時為359 F g−1，在雙電極系統中為0.5 A g−1時為234 F g−1，在功率密度為750 W kg−1時，高能量密度為48 Wh kg−1，在有機電解液中以10 a g−1的高電流密度進行10000次循環試驗
  • ...桉樹衍生的雜原子摻雜分級多孔碳作為超級電容器的電極材料
    > 成果簡介 圖片來源百度百科 碳基超級電容器由於其高電導率本文，通過ZnCl2活化和NH4Cl吹塑協同作用製備桉樹來源的氮/氧摻雜的分級多孔碳（NHPC）。具有高比表面積，合理的孔隙率和足夠的N / O摻雜等優點。
  • 杭州電子科技大學:羅勒種子中合成多孔炭用於柔性超級電容器
    >採用簡單的凝膠化方法合成羅勒種子衍生的多雜原子摻雜多孔炭（BHPCs），然後採用中性凝膠水/KOH共活化工藝。在相對較低的KOH負載和活化溫度下製備的BHPC-700具有較大的比表面積（1178.3m2 g-1）、良好的分層微/介觀孔隙率和豐富的自摻雜雜原子功能（氧、氮、磷和硫的13.08%）。
  • 杭州電子科技大學《Energy Research》:自凝膠法從羅勒種子中合成富雜原子多孔炭用於柔性超級電容器
    在相對較低的KOH負載和活化溫度下製備的BHPC-700具有較大的比表面積（1178.3m2 g-1）、良好的分層微/介觀孔隙率和豐富的自摻雜雜原子功能（氧、氮、磷和硫的13.08%）。電化學測試表明，基於BHPC-700的電極具有超高的比電容（0.5A g 1時為464 F g 1）、優異的速率性能（50 A g 1時保持73.3%的電容）和優異的循環穩定性（在5000 次循環中保持96.8%的電容）。此外，BHPC-700電極組裝成全固態對稱超級電容器。
  • BC-PANI衍生分層氮摻雜多孔碳納米纖維作為鋰離子電池陽極
    本文要點： 一種簡單易行的方法，通過碳化和活化細菌纖維素-聚苯胺複合材料衍生（BC-PANI），製備摻雜的層狀碳納米纖維LIB陽極，詳細討論了衍生的碳結構的結構和電化學性質。本文證明了源自細菌纖維素-聚苯胺納米複合材料的分級多孔碳結構的合成和利用，將其作為高速率鋰離子電池的有希望的陽極材料。衍生碳的微觀結構分析表明，細菌纖維素纖維骨架的遺傳以及聚苯胺的納米顆粒結構。通過XRD，拉曼光譜和XPS對衍生的多孔碳結構進行結構表徵，並通過循環伏安法，恆電流充放電研究對電化學性能進行分析，和阻抗譜。
  • 武漢紡織大學:牛仔布廢料通過熔鹽熱解製備摻氮多孔碳材料
    本文要點：通過熔鹽熱解將三聚氰胺改性牛仔布廢料轉化為氮摻雜多孔碳簡易方法成果簡介 將生物質廢物轉化為摻氮多孔碳已被認為是實現儲能材料具有前景的方法。本文，通過使用三聚氰胺改性牛仔布廢料作為原料通過熔鹽熱解（MSP）成功地製備了摻氮活性碳材料。
  • 廢棄小龍蝦殼為原料製備多孔碳材料實現高性能超級電容器電極材料
    使用小龍蝦殼（CS）作為生物模板獲得的獨特多孔碳。氧摻雜的HPC在0.5Ag-1時具有351Fg-1的高比電容。此外，組裝的CSB-800 // CSB-800對稱超級電容器在功率密度為350 W kg -1（0.5 A g -1）時可以達到20 W h kg -1的出色能量密度。基於HB的HPC的方法為探索由工業副產物和廚房廢物大規模合成電極材料開闢了新的途徑。
  • 復旦大學:碳點與多孔水凝膠整合製備全碳電極,用於雙層電容器
    成果簡介 作為雙電層電容器（EDLC）的一類電極材料，碳點（CD）能夠擴大比表面積，製造分層的孔和接枝贗電容基團，獲得額外的容量和出色的能量密度。經過一步煅燒活化處理後，CD融合到最終的碳結構上，形成了一系列具有特定官能團的多孔碳材料。包括氧摻雜，氮摻雜以及氧，氮共摻雜在內的各種CD被用來製備這種碳材料並進行了測試。這些材料具有高比表面積、均勻的孔徑分布、高導電性、豐富的表面官能團和良好的潤溼性。當在EDLC中組裝為電極時，表現出卓越的性能。
  • 哈工大:量身定製的亞納米孔的多孔碳氣凝膠,用於鉀離子電池陽極
    本文要點：一種空氣蝕刻方法來製造多孔碳氣凝膠，具有很高的表面電容作用，具有超快的充電速度和超穩定的PIB陽極性能成果簡介近年來，開發用於鉀離子電池（PIB）的先進電極材料是一個新興的研究領域Interfaces》期刊發表名為「Porous-Carbon Aerogels with Tailored Sub-Nanopores for High Cycling Stability and Rate Capability Potassium-Ion Battery Anodes」的論文，研究了孔徑分布在0.8 nm左右的多孔碳氣凝膠中亞納米孔的影響，並獲得了出色的PIB性能，包括長循環穩定性
  • Carbontech 2020 多孔碳材料論壇精彩呈現
    電極材料作為超級電容器的核心，其內部緩慢的電子/離子傳輸速率導致器件的存儲/釋放效率低於預期。改善電極材料的傳輸動力學是獲得高性能超級電容器的關鍵和可行性策略之一。報告介紹了多種功能碳材料的可控制備技術，通過對碳材料的結構設計與調控，顯著提升其電化學性能。上述系列研究工作為高比能儲能器件用電極材料的設計和實用化提供了新思路。
  • 南開大學等：綜述-聚合物衍生的雜原子摻雜多孔碳材料
    本文要點 雜原子摻雜多孔碳材料(HPCMs)在吸附/分離、有機催化、傳感和能量轉換/存儲等領域有著廣泛的應用。碳前驅體的選擇是製造具有特定用途和功能最大化的高性能HPCMs材料的關鍵。 該工作對於系統地了解聚合物衍生的碳材料具有重要意義，並且HPCM的設計提供指導。綜合方法 通過將富含雜原子的聚合物作為前驅體進行熱解或通過將預製的多孔碳用含雜原子的前驅體進行後合成處理來製備雜原子摻雜的多孔碳。前者可以將雜原子均勻地添加到整個多孔碳基體中，而後者通常僅將雜原子加載到碳表面上。
  • Energy Mater:細菌纖維素-聚苯胺複合材料衍生的分層氮摻雜多孔碳納米纖維作為高速鋰離子電池的陽極
    一種簡單易行的方法，通過碳化和活化細菌纖維素-聚苯胺複合材料衍生（BC-PANI），製備摻雜的層狀碳納米纖維LIB陽極，詳細討論了衍生的碳結構的結構和電化學性質
  • 多孔碳納米纖維/MnO2複合材料用於超級電容器
    Carbon：電紡聚丙烯腈/環糊精衍生的分級多孔碳納米纖維/MnO2複合材料，用於超級電容器DOI:10.1016/j.carbon.2020.03.052這項研究的目的是研發無模板法製備由聚丙烯腈（PAN）/環糊精（CD）衍生的多孔碳納米纖維（CNF）/MnO2複合材料
  • 分層多孔碳用於微鹹水的高性能電容脫鹽
    本文要點：生物質衍生的分級多孔碳為綠色和經濟地製備用於鹹水淡化的材料成果簡介 電容去離子（CDI）作為一種節能且有希望的微鹹水淡化技術，相對於常規方法（如熱蒸餾，超濾和反滲透）具有優勢。具有優異的除鹽能力的這種材料的製備的複雜性和高成本也阻礙了CDI技術的商業化。為了克服CDI技術中的這些障礙，本文通過將生物質與活化劑混合後進行的簡便，經濟和綠色煅燒而製備的分級多孔碳（h-PC）。h-PC電極顯示出83的出色的鹽吸附能力（SAC）。對於分批模式CDI，當NaCl濃度為1000 mg / L時為0 mg / g。
  • 陝西中醫藥大學Chemistry Select:廢木糖母液製備3D石墨烯樣多孔碳材料,具有超高比電容和能量密度的超級電容器
    一種通過木糖母液製備三維多孔碳的簡單方法，用於高性能超級電容器木糖的製備過程是在稀酸或濃酸的高溫下水解生物質
  • 南開大學等《Chem.Rev》:綜述-聚合物衍生的雜原子摻雜多孔碳材料
    1 本文要點 雜原子摻雜多孔碳材料(HPCMs)在吸附/分離、有機催化、傳感和能量轉換/存儲等領域有著廣泛的應用。碳前驅體的選擇是製造具有特定用途和功能最大化的高性能HPCMs材料的關鍵。
  • 西工大：空位工程和雜原子調控的N摻雜多孔碳氣凝膠用於微波吸收
    本文要點： 通過席夫鹼反應對剛性有機聚合物氣凝膠進行直接熱解，從而合成空位工程和雜原子調控的N摻雜多孔碳氣凝膠​成果簡介 碳材料有望成為輕質吸收體的候選材料，但是，結構設計和成分控制仍然面臨著巨大的挑戰
  • 上海矽酸鹽所：氮摻雜的分層多孔碳，可有效存儲電化學能量
    成果簡介 碳電極材料的大表面積，高電導率和豐富的活性部位是儲能裝置的必要特性。但是，碳電極材料的高導電性和高氮摻雜難以協調。>席夫基礎聚合物的簡便方法來製備高電導率和高氮摻雜的分級多孔碳。在NH3下於900°C煅燒的氮摻雜分級多孔碳大氣中的氮含量高，為7.48 at％，比表面積較大，為1613.2 m 2/ g，並且具有2.7S / cm的高電導率。
  • 微電網的自由轉換橋梁:超級電容器
    雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纖維)、碳氣凝膠、碳納米管。雙電層電容器的容量大小與電極材料的孔隙率有關。通常，孔隙率越高，電極材料的比表面積越大，雙電層電容也越大。但不是孔隙率越高，電容器的容量越大。保持電極材料孔徑大小在2-50nm之間提高孔隙率才能提高材料的有效比表面積，從而提高電容。