成果简介

生物质分布丰富、可再生、价格低廉，是制备电极材料的理想来源。通过掺氮构建的碳材料可以大大提高电极材料的性能，提供额外的赝电容，扩大超级电容器的实际应用。本文，西北大学申烨华教授团队在《Energy Fuels》期刊发表名为“One-Step Synergistic Effect to Produce Two-Dimensional N-Doped Porous Carbon Nanosheets with Ultrahigh Porosity from Biomass for High-Performance Supercapacitors”的论文，研究以核桃壳（WS）和γ-聚谷氨酸为原料，通过化学交联和KOH活化制备了掺氮（WS）碳材料。

系统研究了碳源和氮源化合物的比例以及活化温度对碳材料形貌、孔结构、石墨化及其电化学性能的影响。掺氮WS碳材料具有独特的二维片层结构和较高的比表面积（1932 m2 g-1）。杂原子的加入提高了碳材料的极化性和导电性，并由于良好的电化学性能而引入了额外的赝电容。在电流密度为 0.5 A g-1 时，材料的比电容可达 342.0 F g-1，电容保持率为 73%（20 A g-1）。8000 次循环后，电容损失仅为 8%，电化学性能极佳。

图文导读

图1.NWC-1.5-800 （a）、NWC-1-800 （b）、NWC-0.5-800 （c）、NWC-0.5-600 （d）、NWC-0.5-700 （e） 的SEM图像和NWC-0.5-700 （f） 的高放大倍率SEM图像。

图2. NWC-0.5-700 的 TEM 图像（a-c）和 C（d）、O（e）和 N（f）元素图谱。

图3. NWC-a-b样品的XRD图（a和拉曼光谱（b）。

图4. NWC-a-b 和AC-800的N2吸附/解吸等温线（a）和孔径分布曲线（b）。

图5. NWC-0.5-700 的 XPS 光谱：普查光谱（a）、高分辨率C1s光谱（b）、O1s 光谱（c）和 N1s 光谱（d）。

图7. 不同扫描速率下的 CV 曲线（a）、不同电流密度下的 GCD 曲线（b）、NWC-0.5-700第1次和第8000次 GCD 曲线（c）显示的 5 A g -1 循环稳定性、NWC-a-b 和 AC-800 不同电流密度下的比电容（d）、NWC-a-b 和 AC-800 的 EIS 曲线（e）以及相应的等效电路图（f）。

图8. 不同扫描速率下的 CV 曲线（a）、不同电流密度下的 GCD 曲线（b）、EIS 曲线（c）和 NWC-0.5-700//NWC-0.5-700 的 Ragone 图（d）。

小结

以WS和γ-PGA分别作为碳源和氮源，通过化学交联和KOH活化制备了氮掺杂WS碳材料。结果表明，掺氮WS碳材料具有独特的二维片层结构和高比表面积（1932m2 g-1）。这些优点使得 NWC-0.5-700在0.5Ag-1 的电流密度下具有342.0Fg-1 的高比电容，并且在8000次循环后电容保持率达到 92%。该电极材料组装成对称装置后，在功率密度为 274.93W kg-1 时，显示出更高的能量密度（7.95 W h kg-1）。因此，经杂原子掺杂改性的生物质多孔碳材料可用作超级电容器的理想电极材料。

文献：