Small:尿素调控的富氮介孔炭纳米片宏观体及其锌离子混合电容器应用

研究背景

水系锌离子混合电容器(aZHCs)有效集成了水系锌离子电池的高能量密度与超级电容器的高功率密度,具有本征安全、低成本、长循环等优点,在大规模储能和柔性可穿戴设备领域具有应用潜力。然而,传统多孔炭正极由于不规则的孔结构及有限的锌存储位点,常表现出较低的比容量和能量密度,严重阻碍aZHCs的实用化进程。因此,设计构筑结构和性质可调的多孔碳正极就显得尤为重要。

文章概述

近日,由东北大学董琰峰副教授和北京化工大学邱介山教授组成的科研团队开发了一种尿素调控发泡新策略,可有效制备富氮介孔炭纳米片(NPCNs)组成的宏观体材料,其制备主要包括低温阶段的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硝酸锌和尿素混合溶液预发泡和烘干过程、高温阶段的发泡和碳化过程以及后续酸洗过程。NPCNs具有40 μm的大横向尺寸、55 nm的薄厚度、丰富的微孔和介孔(3.8 nm)以及9.7 at.%的高氮含量。当NPCNs作为aZHCs正极时可提供大量物理或化学储锌位,以及快速的电子/离子传输通道,在0.2和10 A g−1电流密度下分别表现出262和115 mAh g−1的高比容量,以及5.3 mg cm−2载量下0.5 mAh cm−2的面容量,优于大多数已报道多孔炭正极。此外,组装的NPCNs基准固态锌离子混合电容器表现出高安全与柔性特点,在柔性可穿戴设备中具有应用潜力。

图文导读

图1. NPCNs基宏观体材料制备示意图,其主要包括PVP、尿素和Zn(NO3)2前驱体溶液低温预发泡和烘干过程、高温阶段的发泡和碳化过程以及后续酸洗过程。

2. NPCNs基宏观体的结构表征。a、b. ZnO@NPCNs的SEM照片。b. 站立在花朵上的NPCNs基宏观体数码照片。d、e. NPCNs的不同放大倍数SEM照片。f. NPCNs的横向尺寸与已报道炭纳米片材料对比图,插图为在滤膜基体上组成的NPCNs基薄膜。g-i. NPCNs的SEM、TEM和HRTEM照片。j. NPCNs的元素面扫描分析。

图3. NPCNs化学组成与结构分析。a. ZnO@NPCNs和NPCNs的XRD 图谱。b. NPCNs的 Raman光谱。c. NPCNs的氮气吸脱附曲线。d. ZnO@NPCNs和NPCNs的孔径分布。e. ZnO@NPCNs和NPCNs的XPS全谱分析。f. NPCNs的N1s XPS 分谱。

图4.NPCNs-aZHCs的电化学性能。a. NPCNs-aZHCs 组成示意图。b. 0.5 A g−1电流密度下NPCNs-aZHCs在第1、2和10圈的充放电曲线。c. NCs、NPCs和NPCNs正极在0.5 A g−1的循环稳定性。d. NPCs和NPCNs电极在5 A g−1电流密度下的长循环性能。e. 不同面载量NPCNs正极在1 A g−1电流密度下的循环性能。f、g. NPCNs和NPCs正极的倍率性能和阻抗谱。h. NPCNs正极与文献报道电极的性能对比图。

图5.NPCNs-aZHCs的锌存储动力学分析。a. 不同扫速下的CV曲线,b. a图中峰O和峰R的log i对log v的拟合曲线。c. 不同扫速下的电容贡献。d. 50 mV s−1扫速下NPCNs-aZHCs 的CV曲线中扩散和电容贡献分析。

图6.NPCNs-aZHCs 储锌机理分析。a、b. NPCNs-aZHCs在0.5 A g−1下的充放电曲线以及不同充放电状态下NPCNs电极的非原位XRD图谱。c-e. NPCNs正极不同充放电状态下的SEM照片。f. NPCNs正极储锌示意图。

图7.NPCNs-qZHCs的电化学性能。a. NPCNs-qZHCs的结构示意图。b. NPCNs-qZHCs 在1 和2 A g−1电流密度下的循环性能。c. NPCNs-qZHCs电极在1 A g−1电流密度下第1、2和10圈的充放电曲线。d. NPCNs-qZHCs的倍率性能。e. NPCNs基ZHCs的能量/功率密度与文献报道值对比图。f-h. 连个串联NPCNs-qZHCs可点亮LED灯,即使在平坦、弯曲及凿洞状态下也不受影响。

Urea-Mediated Monoliths Made of Nitrogen-Enriched Mesoporous Carbon Nanosheets for High-Performance Aqueous Zinc Ion Hybrid Capacitors

Ping Shang, Min Liu, Yingying Mei, Yuanhao Liu, Lisha Wu, Yanfeng Dong*, Zongbin Zhao, Jieshan Qiu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202108057

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202108057