中国矿业大学研究生，中国矿业大学研究生院
成果简介
考虑到全球范围内可再生废弃生物质产生的环境污染和处理成本问题，开发利用丰富的天然废弃生物质作为可持续前体的高性能电极对于促进超级电容器的实际应用至关重要。本文，中国矿业大学Fanhui Guo、Fanhui Guo等研究人员在《Ind. Eng. Chem. Res.》期刊发表名为“Construction of N, O Codoped Petal-like Hierarchical Porous Carbon with an Ultrahigh Specific Surface from Waste Bamboo for High-Performance Supercapacitors”的论文，通过H3 PO4催化水热预处理结合 KOH/三聚氰胺共活化，从废竹屑中合成具有超高 SSA 和 N、O 共掺杂的分级多孔碳电极材料，其中H3 PO4催化剂促进竹屑的碳化和孔隙结构的发展。深入研究了孔结构的优化调控和表面改性（杂原子掺杂）对碳材料优异电化学性能的影响。
衍生的碳材料在超级电容器的实际应用中表现出优异的潜力，这主要归功于它们的大比表面积（3392 m 2 g –1）、优异的孔体积（2.081 m 3 g –1)，以及具有丰富的N、O含量的花瓣状分层多孔结构，这导致快速的离子扩散和足够的电荷存储的赝电容。5-BHPC-700-4 在 6.0 M KOH 电解液中表现出吸引人的电化学性能，电容（在三电极系统中 0.5 A g –1时为 501.6 F g –1 ）和出色的循环稳定性（94.2% 的电容保持率）在5.0Ag–1下 10,000 次循环后。组装后的对称超级电容器装置在 290 W kg –1的功率密度下实现了 15.3 Wh kg –1的惊人能量密度. 该工作为具有优异超级电容器性能和低成本的生物质基分级多孔碳的设计和制备提供了有价值的参考。
图文导读
图1. N、O 共掺杂分级多孔碳 (5-NBHPC-700-4) 的合成流程图。
图2. (a) PC-700-4、5-BHPC-700-4 和 5-NBHPC 的 (a) 氮气吸附-脱附等温线、(b) 孔径分布、(c) XRD 谱图和 (d) 拉曼光谱-700-4。
图3、 N、O共掺杂分级多孔碳结构示意图
图4. (a) PC-700-4、(b) 5-BHPC-700-4 和 (c, d) 5-NBHPC-700-4 的 SEM 图像；(e, f) 5-NBHPC-700-4 的 TEM 图像；5-NBHPC-700-4 的 (g) C、(h) N 和 (i) O 的元素映射分析。
图5. 5-NBHPC-700-4 电极的动力学分析。
图6. 基于 5-NBHPC-700-4 的对称超级电容器在6M KOH电解质中的电化学性能
图7. 分层多孔碳 (5-NBHPC-700-4) 中电解质离子形成双电层的示意图。
小结
综上所述，与文献中先前报道的多孔碳材料相比，我们工作中合成的碳材料在超级电容器的实际应用中表现出优越的竞争力。考虑到可再生废弃生物质在全球范围内产生的环境污染和处理成本问题，本工作提供了一种高效且生态友好的策略，即利用废弃竹屑作为前驱体合成具有优异性能的 N、O 共掺杂分级多孔碳材料。超级电容器的性能，为实现生物质废弃物的高附加值利用提供了有价值的指导。
文献：
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c02815
中国矿业大学研究生(中国矿业大学研究生院)
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