以纸巾为原料的双功能3D氮掺杂多孔碳材料用于氧还原和超级电容器| Science Bulletin

Sci. Bull. , 2018,63(10): 621-628

       设计制备价格低廉的活性双功能材料对可再生能源技术的发展至关重要。北京航空航天大学朱英课题组通过同时碳化活化SiO₂层保护的聚吡咯纸巾并酸洗刻蚀的方法制备三维氮掺杂多孔碳材料(NDPC-X, X为热解温度), 该材料的比表面积高达1123.40 m²/g。所得到的NDPC-900在碱性介质中展现出优异的氧还原和超级电容器性能。NDPC-900催化剂在氧还原催化中较Pt/C(-0.121 V)展现出更优异的还原峰电位(0.068V vs. Hg|HgCl₂), 也表现出更好的循环稳定性和甲醇抗性。NDPC-900作为超级电容器电极, 在电流密度为1 A/g时其比电容高达379.50F/g, 且其在6 mol/L KOH电解液中循环10000次的性能保持率高达94.5%。这些结果皆可归因于能够高比表面积能提供大量电化学活性位点。本工作介绍了一种利用生物质材料合成制备可用于电化学能源转化和储存设备的大有前景的双功能材料的有效方法。

NDPC-X制备过程

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图1  (a−c) NDPC-900在不同放大倍数下的SEM图; (d) NDPC-900的TEM图, 与TEM对应的(e) C, (f) O, (g) N的元素分布; (h) NDPC-900的HRTEM图; (i) NDPC-X的N₂吸脱附等温线; (j) NDPC-X的孔径分布曲线

图2  (a) NDPC-X的X射线衍射图谱; (b) NDPC-X的拉曼光谱; (c) NDPC-X的XPS全谱; (d) NDPC-900的高分辨C 1s XPS谱图; (e) NDPC-900的高分辨N 1s XPS谱图; (f) NDPC-900中的氮原子种类分布图

图3  (a) 0.1 M KOH溶液中, 扫速为50 mV/s时, NDPC-X的循环伏安曲线; (b) 扫速为10 mV/s时, 不同转速下NDPC-900的线性扫描曲线和-0.3~-0.8 V (vs Hg|HgCl₂) 电位范围内相应的K-L图(内插部); (c) 扫速为10 mV/s, 转速为1600 r/min时, NDPC-X和商业化Pt/C的线性扫描曲线; (d) NDPC-900和商业化Pt/C在-0.4 V时的时间-电流(i-t)曲线; (e)在电位为-0.4 V时, NDPC-900和商业化Pt/C加入甲醇后的计时电流反应; (f) 在电位为-0.4 V时, 往0.1 M KOH氧饱和溶液中通入相同流量CO后NDPC-900和商业化Pt/C的计时电流反应

图4   NDPC-X用于超级电容器的所有电化学性能均在6 M KOH溶液的三电极体系中测试。(a) NDPC-X 在扫速为 100 mV/s时的循环伏安曲线; (b) 电流密度为1 A/g时的恒电流充放电曲线; (c) 在不容充放电电流密度下所测得的比电容; (d)电流密度为10 A/g时, NDPC-900的循环稳定性

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XinyuGao, XueyanLi, ZhuangKong, GuozhengXiao, YingZhu. Bifunctional 3D n-doped porous carbon materials derived from paper towel for oxygen reduction reaction and supercapacitor. Sci Bull, 2018, 63(10): 621-628

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.04.016

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