西北工業大學：富於邊緣的N摻雜多孔碳納米片，實現贗電容鉀存儲
2020-07-30 材料分析與應用本文要點：
一種製備用於超穩定K離子存儲的富邊緣N摻雜多孔碳納米片（ENPCS）的新方法
成果簡介
用於儲鉀的超穩定碳材料的開發由於巨大的體積變化和緩慢的動力學特性而受到關鍵限制。最近，富氮多孔碳已成為該應用的有前途的候選者。但是，需要對氮摻雜進行合理控制以進一步抑制長期容量衰減。本文，西北工業大學王洪強教授，德勒斯登工業大學 Stefan Kaskel等研究人員在《Angew.Chemie》期刊發表名為「 Ultrastable Surface‐Dominated Pseudocapacitive Potassium Storage Enabled by Edge‐Enriched N‐Doped Porous Carbon Nanosheets」的論文，一種製備用於超穩定K離子存儲的富邊緣N摻雜多孔碳納米片（ENPCS）的新方法，ENPCS是通過對吡啶配位的聚合物網絡進行熱解-蝕刻而製得的，同時考慮到該前體中預先定義的吡啶二價氮。
通過將熱解溫度降低到500 ℃，獲得的ENPCS既具有9.34 at％的高邊N含量和616 m2 g-1的高表面積，同時更加豐富了材料的內部空間分布。ENPCS具有高可逆容量（313 mAh g-1），高倍率容量和超長循環穩定性，在1 A g-1下，經過6000次循環中幾乎沒有降解（0.0009％衰減率和252 mAh g-1的剩餘容量） ，具有最佳的循環穩定性。通過充分利用表面吸附電容行為，高的邊緣N含量，內部空間更豐富的N分布以及較高的表面積共同導致了ENPCS優異的超穩定性能。該研究工作將碳質材料用於穩定的基於K離子的儲能裝置邁出了重要一步
圖文導讀
圖1、a）ENPCS合成的示意圖；b）前體和c）所得碳樣品ENPCS-500在500°C時碳化的SEM圖像；ENPCS-500的TEM圖像，d）低和e）高放大率；f）HAADF‐STEM圖像以及g）碳，h）氮和i）氧的相應元素映射。
圖2、a）XRD；b）拉曼光譜；c）N 2吸附/解吸等溫線（插圖顯示了DFT孔徑分布曲線）；d）XPS高解析度N 1s光譜，e）N-6，N-5和NQ的相應百分比；f）ENPCS在0.1 s時的接觸角直方圖，插圖是相應的數碼照片；g）在低相對壓力下於298 K的水蒸氣吸附等溫線；h）ENPCS的表面和整體中的N / C原子比。
圖3、a）ENPCS-500在0.1 mV s -1時的 CV曲線; b）ENPCS-500在0.05 A g -1下的第二恆電流放電-充電曲線；c）在0.1 A g -1時的循環性能和庫侖效率，以及d）在每個速率下有10個循環的速率性能；e）ENPCS-500在1 A g -1的高速率下的長期循環性能和庫侖效率。電池從5000個周期重新啟動；f）比較各種雜原子摻雜碳的循環數和每個循環相應的平均容量衰減率。
圖4、對於a）ENPCS-500和b）ENPCS-800，在0.6 mV s -1時電容（粉紅色區域）和擴散控制（青色區域）的貢獻分開 c）不同掃描速率下的電容貢獻；d）還原峰，e）氧化峰和f）相應的K離子擴散係數的電流對掃描速率平方根的曲線圖；g）在1 A g -1下經過100次循環後的ENPCS-500和ENPCS-800的EIS 。
圖5、a）GITT曲線和b）ENPCS-500和ENPCS-800的相應計算的擴散率曲線；c）原位拉曼光譜和d）對應電勢與I D / I G的關係；e）用石墨烯和不同的N摻雜缺陷位點進行K吸附能的理論模擬。
小結
總之，我們證明了富集邊緣的N摻雜多孔碳的製備和利用，可以快速，穩定地存儲K離子。在未來，利用具有受控空間分布的缺陷N邊緣活性位點的利用可能對各種碳基電極系統有價值。
文獻：
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