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科学研究

祝贺王舜和金辉乐老师指导研究生张晶晶在Advanced Energy Materials上发表学术论文

发布时间:2018-11-30    来源:化学与材料工程学院    作者:    点击次    [点击关闭]


标题(中文):

铁复合纳米粒子原位封装在生物质衍生的碳纳米管中,用于高性能超级电容器

标题(英文):

In-Situ Encapsulation of Iron Complex Nanoparticles into Biomass-Derived Heteroatom-Enriched Carbon Nanotubes for High-Performance Supercapacitors

刊物名称及期号、页码:

Advanced Energy Materials(已录用,后续更新)

作者姓名(中文):

张晶晶,赵华平,李军,金辉乐*, 余小春, 雷勇*, 王舜*

作者姓名(英文)

Jingjing Zhang, Huaping Zhao, Jun Li, Huile Jin*, Xiaochun Yu, Yong Lei*, and Shun Wang*

摘要(英文):

The capacitive performance of carbon materials could be enhanced by means of increasing the number of active sites, the surface area and the porosity as well as through incorporating heteroatoms into the carbon framework. However, the charge storage through electric double layer mechanism results in limited increase in capacitance of modified carbon materials. Herein, a simple and straightforward strategy is introduced for in-situ synthesizing iron complex (FeX, which X includes O, C, and P) nanoparticles encapsulated into biomass-derived N, P-codoped carbon nanotubes (NPCNTEs), using a natural resource, egg yolk, as heteroatom-enriched carbon sources and potassium ferricyanide as the precursor for iron complex. Compared with heteroatom-enriched carbon nanomaterials derived from the carbonization of egg yolk, the synergetic function of the heteroatom doping, the incorporation of FeX nanoparticles, and the unique structural characteristics endows the as-prepared sample with largely improved electrochemical performance. As expected, FeX@NPCNTs hybrid nanomaterials exhibit superior capacitive performance, including high specific capacitance, impressive rate performance, and excellent cycle stability. Using the as-prepared FeX@NPCNTs hybrid nanomaterials as electroactive materials, a symmetric supercapacitor with high capacity and a long-term cyclability is finally demonstrated (more than 99% capacitance retention after 50,000 cycles at a current density of 10 A/g).

研究现状(中文):

随着便携式电子产品市场的快速增长和电动汽车的蓬勃发展,以及可持续和可再生资源的能源产量不断增加,人们正不断致力于研究高效存储技术和以电或化学燃料的形式存在的能量传递过程。在各种电能存储技术中,超级电容器以其高功率、快速充放电过程和极其优越的循环稳定性而成为以电化学方式存储电能的理想选择,并且用于下一代储能器件。然而,与充电电池相比,超级电容器的关键问题之一是它们的低能量密度,这严重限制了它们的广泛应用。因此,人们通过材料工程或改变电极纳米结构来改善超级电容器的能量密度。

碳材料作为超级电容器的电活性材料得到了广泛的研究。不幸的是,由于是通过离子吸附在碳材料和电解质之间的界面上形成双电层来储存能量,从而产生的有限电容,导致了这些碳材料只能在低能量密度下运用而产生较长的充放电时间。鉴于以上问题,增加碳材料的表面积被认为是改善电容的有效方法。碳纳米管和石墨烯等纳米结构碳材料提供了高比表面积,为存储更多的电能提供了机会,但是仍然不足以实现基于碳材料的超级电容器的能量密度的显著提高。通过将杂原子引入碳骨架,进一步提高纳米结构碳材料比电容的方法被证明是可行的。掺杂的杂原子可以提供额外的赝电容,这是由于含有官能团的杂原子与电解质离子之间发生的快速充放电反应,有时杂原子掺杂可以优化碳材料表面亲水性和电导率,也有利于提高碳材料的电容性能。例如,含有NOPSB等富杂原子资源的天然物质,通过不同的碳化方法,各种生物质被转化成具有不同孔隙率、表面性质和形貌的富杂原子碳。掺杂了杂原子的生物质衍生碳显示出良好的导电性和循环稳定性。然而,电容的增加仍然远远不能使基于碳材料的超级电容器实际接近可充电电池的能量密度。与通过双电层机制存储电荷的碳材料不同,赝电容材料可以通过在材料表面发生的高度可逆的氧化还原反应存储更多的电能,从而显著增加电容,并最终产生更大的能量密度。然而,赝电容材料的低电导率和低循环稳定性限制了超级电容器充分发挥其潜力。鉴于以上种种问题,通过集成纳米结构、杂原子掺入和赝电容材料来设计和合成杂化碳纳米材料不仅可以解决碳材料的低比电容问题,而且可以克服导电性差的问题。赝电容材料的活性和低循环稳定性,最终将提高基于混合碳纳米材料的超级电容器的储能性能。

创新点(中文):

本工作以天然资源,鸡蛋中的蛋黄为富杂原子碳源,铁氰化钾为铁络合物(FeXX包含(O, C, P))前驱体,通过简单而通用的方法合成了低成本、高性能的超级电容器用杂化碳纳米材料。原位形成FeX纳米颗粒,并包封到NP共掺杂的碳纳米管(NPCNT)中。与生物质来源的NP-共掺杂碳纳米颗粒(NPCNP)相比,制备的FeX@NPCNT具有较高的比表面积,最高可达566.07m2 g-1。高比表面积提供了充裕的电荷存储位点。基于此项技术制备的高规格FeX@NPCNTs杂化纳米材料的对称超级电容器。在电流密度为0.5A/g时,其电容值显著提高392.0F g-1(体积电容值1312.0F cm-3),同时具有优良的电容率和长期循环稳定性。在实际的应用过程中,可使LED小灯泡发光三分钟以上,是目前制备电容器水平的一个峰值。

原文链接:(已录用,后续更新)