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以橘子皮为原料制备B/N/P共掺杂多孔碳,用于超级电容器和钠离子电池
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-24  点击数:247

  1成果简介
  多孔碳材料作为最有前途的储能和能量转换设备电极之一,因其比表面积大、孔隙结构发达、导电性能优异和成本低廉而备受关注。然而,传统的多孔碳生产往往伴随着复杂的合成条件、环境污染和能源消耗大等问题。本文,江苏科技大学Yingying Chen、Hongxun Yang等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Biomass-derived B/N/P co-doped porous carbons as bifunctional materials for supercapacitors and sodium-ion batteries”的论文,研究以桔皮(OP)为原料,硼酸和磷酸二铵为助掺杂剂,采用简单的水热掺杂法结合低温碳化-活化工艺制备了一种新型 B/N/P 共掺杂多孔碳(OPBNP)。
  精心调节的元素掺杂和低碳化温度(600 oC)使制备的 OPBNP 材料具有高比表面积(1774.8m2g-1)、微孔为主的分层结构、较大的石墨层间距(0.392nm)和更多的缺陷。结构上的战略性设计与多原子掺杂相结合,促进了快速充电和持久稳定性。作为超级电容器(SC)的电极,OPBNP在5Ag-1 的条件下可提供 289Fg-1 的超强比电容,10000 次循环后的电容保持率为 93.6%。此外,组装后的OPBNP//OPBNP对称超级电容器的能量密度高达8.9 Wh kg-1,功率密度为499.7W kg-1。此外,作为钠离子电池(SIBs)的阳极,OPBNP 在 0.1Ag-1 的条件下循环100次后也表现出 292.3mAh g-1 的高可逆容量,在1Ag-1 的条件下循环1000次后表现出 206.6 mAh g-1的优异循环性能。B/N/P共掺杂多孔碳具有成本低、制备简单、性能优异等特点,是先进超级电容器和钠离子电池的潜在电极。
  2图文导读 


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  方案1、OPBNP制备工艺示意图。


QQ截图20240624131707.jpg



  图1、 (a) OPC, (b) OPB, (c) OPNP, (d) OPBNP的SEM图像;(e) OPC、(f) OPB、(g) OPNP、(h) OPBNP透射电镜图像;(I)介绍;(j) OPBNP的STEM图像,插入:SAED模式,(k-p) O、C、B、N、P的对应元素映射


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  图2 /OPC、OPB、OPNP和OPBNP的XRD谱(a)和Raman谱(b);(c) N2吸附-解吸等温线和(d) OPBNP的孔径分布;(e) XPS调查光谱,插图:b1s和p2p放大区;(f) n1s, (g) o1s, (h) b1s和(i) p2p的高分辨率XPS光谱拟合OPBNP的峰


QQ截图20240624131728.jpg



  图3、三电极体系中超级电容器OPC、OPB、OPNP和OPBNP在6 M KOH条件下的电化学性能


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  图4、 OPBNP//OPBNP硬币型对称超级电容器在6M KOH电解质溶液中的电化学性能


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  图5 、OPBNP材料的储钠性能



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  图6、 OPBNP电极电化学存储机理示意图。
  3小结
  综上所述,以低成本的橙皮为原料,通过水热掺杂结合KOH活化,成功制备了新型B/N/P共掺杂多孔碳(OPBNP),用于SCs和SIBs储能应用。结构表征和化学成分分析表明,OPBNP材料具有较高的SSA、较大的层间距、丰富的微/介孔结构和增强的无序性,有利于电化学性能的提高。得益于这些结构特点,当OPBNP用作超级电容器电极时,在5Ag-1下可提供289F-1的高比容量,在10000次循环后电容损失仅为6.4%,并且在20 a g-1下仍可保持248.0 F -1。此外,组装的OPBNP//OPBNP对称超级电容器的能量密度为8.9 Wh kg-1,功率密度为499.7 W kg-1。作为SIB的阳极,OPBNP电极也表现出了出色的倍率性能和超长的循环寿命,1000次循环后容量保持率为63.79%。本文采用的方法不仅实现了农业废弃物的科学“转化”,而且促进了储能装置的发展,解决了农业废弃物不合理利用带来的问题,为生态环境的平衡提供了新的途径。
  文献:


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