【引言】

超級(jí)電容器是一種高效、耐用的的存儲(chǔ)設(shè)備，在便攜式電子設(shè)備和混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。超級(jí)電容器主要以活性炭、介孔碳等多孔碳電極為基礎(chǔ)，其本質(zhì)上依賴于電極表面離子吸附的電雙層電容。目前，具有良好形貌和多孔結(jié)構(gòu)的多孔碳電極材料的設(shè)計(jì)與合成已成為高性能超級(jí)電容器發(fā)展的重要課題之一。在各種多孔碳材料中，三維（3-D）石墨烯類多孔碳納米板（GPCNs）最近被證明是一種先進(jìn)的碳材料。三維GPCNs由于其具有高度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以為高性能超級(jí)電容器電極的設(shè)計(jì)提供良好的應(yīng)用條件。另一方面，三維石墨烯類碳網(wǎng)絡(luò)的分層多孔結(jié)構(gòu)由于其快速的傳質(zhì)和高效的離子吸附，可以產(chǎn)生顯著地電雙層電容。多年來，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域中，多種碳質(zhì)前驅(qū)體被選為通用三維GPCNs的設(shè)計(jì)和合成。其中生物量前體和分子前體是重要的兩大類。然而，由分子前體衍生的三維GPCNs仍面臨著合成過程復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、厚度不均勻、比表面積小等巨大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種簡(jiǎn)單有效的制備具有超薄納米結(jié)構(gòu)（＜10nm）和高比表面積（＞2000m²g^-1）的高性能三維GPCNs的技術(shù)迫在眉睫。

【成果簡(jiǎn)介】

廣東石油化工學(xué)院的李澤勝(通訊)等人報(bào)道了一種方便、高效的一鍋KOH活化技術(shù)（采用低成本的石油焦埋保護(hù)法）利用廣泛使用的表面活性劑（Tween-20）作為碳源（即分子前體），合成了新型三維石墨烯類碳納米薄片（即三維GPCNs）網(wǎng)絡(luò)。合成的材料具有良好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分層多孔結(jié)構(gòu)（比表面積2017.3m²g^-1），且具有典型的8.5nm厚度的納米片，以及大量的微孔結(jié)構(gòu)（＜2nm）和部分介孔結(jié)構(gòu)（2-3nm）。作為一種很有前途的超級(jí)電容器電極，其比電容高達(dá)316.8Fg^-1，在電流密度為1Ag^-1 的情況下進(jìn)行循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果表明制備的電極在1molL^-1KOH水溶液中具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性（2000次循環(huán)后保持率為92.5%）。在GPCNs材料的分級(jí)多孔產(chǎn)物中，微孔比例高達(dá)62%中孔和大孔的比例分別只有23%和15%。相關(guān)成果以“Three-dimensional graphene-like porous carbon nanosheets derived from molecular precursor for high-performance supercapacitor application”發(fā)表在Electrochimica Acta （一區(qū)，影響因子5.116）上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1所示。 生物質(zhì)和分子前體形成3-D GPCN的原理圖。

圖 2所示。三電極系統(tǒng) （A）和可逆氫電極（B）的數(shù)字圖像。

圖 3所示。 Tween-20分子前驅(qū)體三維GPCN樣品的XRD圖譜。

圖 4所示。 Tween-20分子前體三維GPCN樣品的典型SEM圖像。

圖 5所示。 TEM顯示Tween-20分子前驅(qū)體GPCN樣品的典型圖像。

圖 6所示。 Tween-20分子前驅(qū)體對(duì)3-D GPCN樣品的氮吸附/解吸分析。(A)等溫（B）孔徑分布。

圖 7所示。 3-D GPCN樣品的XPS光譜：（A）測(cè)量掃描 (B)原子百分比 （C）C1s高分辨率光譜 （D）O1s高分辨率光譜。

圖 8所示。 HCl洗滌前K ₂ CO ₃ @3-D GPCN樣品的XRD譜圖（A）和SEM圖像（B-D ） 。

圖 9所示。無 KOH時(shí)碳?jí)K樣品的XRD圖譜和SEM圖像（B-D ） 。

圖 10所示。一鍋 KOH活化Tween-20分子前體形成三維GPCN樣品的原理圖。

圖 11所示。3-D GPCN試樣電容性性能：（A）電流密度-模態(tài)CV曲線（B）比電容-模態(tài)CV曲線（C）CDC曲線。(D)比值電容曲線

圖12所示。3-D GPCN樣品的穩(wěn)定性：（A）2000循環(huán)電容曲線（B）CV曲線（C）CDC曲線（D）EIS曲線。

圖13所示。電雙層Stern模型示意圖（A）和0.8nm柱狀微孔KOH水溶液理想脫溶模型示意圖（B）。

圖14多孔碳納米板離子擴(kuò)散示意圖：（A）單微孔模式和（B）微孔-中孔模式。

【小結(jié)】

本文提出了一種高效的埋地KOH活化技術(shù)，以分子前驅(qū)體（Tween-20）制備了三維類石墨烯碳納米片網(wǎng)絡(luò)用于超級(jí)電容器。對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理以及形成過程進(jìn)行了深度的剖析：活化劑(KOH或K₂CO₃)是保證3-D GPCN高比表面積(＞1200m²g^-1)的關(guān)鍵因素，三維模板（硬模板或氣泡模板）是實(shí)現(xiàn)3-D GPCN良好的三維結(jié)構(gòu)的重要保證，3-D GPCNs的納米厚度(5-100nm)與分子前體、活化劑、三維模板等因素有關(guān)。新型的3-D石墨烯類碳納米板網(wǎng)絡(luò)由高度空間互聯(lián)的超薄碳納米板(＜10nm)組裝而成。樣品還具有獨(dú)特的分層多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積(2017m²g^-1)。同時(shí)具有良好的電化學(xué)性能。在電流密度為1Ag^-1下有相對(duì)較高的比電容316.8Fg^-1,在相同電流密度下經(jīng)過2000次循環(huán)后的電容保持率達(dá)到92.5%。證明了3-D GPCN樣品為高摻氧碳材料，相對(duì)較低的內(nèi)阻使其具有良好的導(dǎo)電性。同時(shí)，本文章報(bào)道的一鍋法埋地保護(hù)KOH活化技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)不需要額外的預(yù)模板(2)埋保護(hù)技術(shù)便宜(3)一步活化技術(shù)可大規(guī)模生產(chǎn)。這些結(jié)果清楚地表明，目前的三維石墨烯類碳納米板網(wǎng)絡(luò)是一種很有前途的高性能超級(jí)電容器電極材料。而以一鍋法埋地保護(hù)KOH活化技術(shù)合成的3-D GPCN電極材料可以為超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用提供性能優(yōu)化和耐久性。并且該制備方法具有工業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)鏈接：

Three-dimensional graphene-like porous carbon nanosheets derived from molecular precursor for high-performance supercapacitor（Electrochimica Acta, 2018, DOI:10.1016/j.electacta.2018.11.002）

來源：材料人