湖南大学蔡勇教授EEM ：以g-C3N4/富N碳纤维复合材料设计高性能钾离子混合电容器

成果简介

近日，湖南大学蔡勇教授课题组在Energy & Environmental Materials上发表了题为“Designing g-C₃N₄/N-Rich Carbon Fiber Composites for High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors”的研究论文。该团队制备了一种高含氮量 (19.78 at%) 的碳纳米纤维与g-C₃N₄复合材料。该材料作为钾电池 (PIBs) 的阳极，具有优异的放电容量 (在0.05 A g⁻¹下，可达391 mAh g⁻¹) 、速率容量(在2A g⁻¹下，可达到141 mAh g⁻¹)、循环性能(在1Ag⁻¹下，201mAh g⁻¹循环超过3000次)。此外，它可在0°C下提供132 mAh g⁻¹的放电容量。作为带有活性碳阴极的钾离子混合电容器 (PIHC) 设备的电池阳极，它可提供良好的能量/功率密度 (62 Wh kg⁻¹/2102 W kg⁻¹) 以及高可逆容量 (106 mAh g⁻¹在1A g⁻¹下)。这项工作为未来PIHC的实际应用提供了新的途径。

本研究以硫脲为原料，采用简单的静电纺丝和煅烧工艺制备了含氮量高的碳纳米纤维和g-C₃N₄复合材料(C₃N₄@NCNF-600)。硫脲可分解为g-C₃N₄，嵌入碳纤维，大大增加了碳纤维中氮的含量，并使碳纤维中吡咯N和吡啶N的含量总和增加。C₃N₄@NCNF-600作为PIBs的阳极，具有优异的可逆容量 (在0.05 A g⁻¹下，可达391 mAh g⁻¹) 和较长的循环性能 (在1A g⁻¹下，201 mAh g⁻¹循环超过3000次)。同时，C₃N₄@NCNF-600作为PIHC的阳极，具有良好的能量密度(62 Wh kg⁻¹)、功率密度 (2102 Wkg⁻¹) 和较长的循环稳定性。这项工作为未来PIHC的实际应用提供了有益参考。

图1. 示意图1)C₃N₄@NCNF复合材料形成过程; a-c) C₃N₄@NCNF−600的SEM图; d-f)C₃N₄@NCNF−600的TEM和HRTEM图像; g) C₃N₄@NCNF−600TEM图明确显示C、N、O元素。

图2. C₃N₄@NCNF复合材料的表征。a) C₃N₄@NCNF的XRD图谱; b) C₃N₄@NCNF的拉曼光谱; c) C₃N₄@NCNF的XPS扫描图谱; d) C₃N₄@NCNF-600的N 1s XPS图谱; e) 不同材料的N分布; F)不同材料中不同类型的氮含量; g) C₃N₄@NCNF的配置示意图。

图3. 示意图2)双碳PIHCs C₃N₄@NCNF-600//AC电化学性能示意图; a)半电池中C₃N₄@NCNF-600和AC电极的CV曲线(上)，C₃N₄@NCNF-600//ACPIHCs(下); b)倍率性能; c)不同电流密度的GCD曲线; d)与其他工作比较的Ragone图; e)5A g⁻¹的循环稳定性(插图是由一个组装的C₃N₄@NCNF-600//ACPIHCs供电的LED的数码照片)。

文献链接

Qing Shen,Pengjie Jiang,Hongcheng He,Yanhong Feng,Yong Cai*,Danni Lei*,Mengqiu Cai,Ming Zhang*. Designing g-C₃N₄/N-Rich Carbon Fiber Composites for High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors.Energy Environ. Mater. 2020.

DOI: 10.1002/eem2.12148.

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