桂林理工大学《J ANAL APPL PYROL》：以大米为原料制备氮掺杂碳材料，用于锌离子储能器件

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-12-20 16:34

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1 成果简介

近日， 桂林理工大学材料科学与工程学院、广西天然与生命高分子材料高校重点实验室的宋冰静（第一作者）、杨超教授（通讯作者）、臧利敏教授 等在《 Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 》期刊发表名为“ Puffing-assisted preparation of nitrogen-doped porous biomass carbon for zinc-ion hybrid supercapacitors ”的论文，研究通过膨化和碳化的方法制备了氮掺杂多孔碳。膨化过程有效增加了大米的孔隙结构，为电荷积累提供了丰富的活性位点，并缩短了离子传输距离。

通过密度泛函理论计算表明，氮掺杂能有效增强Zn2+在碳材料表面上的吸附。基于氮掺杂多孔碳阴极和锌箔阳极的锌离子混合超级电容器（ZHSC）在2 M ZnSO4中的比容量达到了164.0 mAh g-1 (0.2 A g-1)，同时还显示出更高的循环稳定性，10000次循环后的容量保持率为94.3%。此外，在功率密度为160.0 W kg-1时，该器件的能量密度提高到131.2 Wh kg-1。

2 图文导读

图1. 氮掺杂多孔碳的制造流程图。

图2. (a)原料大米, (b)膨化大米, (c)预碳化原料大米, (d)预碳化膨化大米, (e)CP0-700, (f)CP1-700和(g)CP1N3-700的扫描电镜图像; (h)CP1N3-700中C、O和N的元素映射。

图3. (a)CP0.6-700, (b)CP0.8-700, (c)CP1.2-700, (d)CP1-500, (e)CP1-600, (f)CP1-800, (g)CP1N1-700, (h)CP1N2-700, (i)CP1N4-700, (j)CP1N3-500, (k)CP1N3-600,和(l)CP1N3-800的扫描电镜图像。

图4、 DFT计算说明Zn2+在不同碳表面的吸附能: (a)-COOH化石墨烯, (b)-OH化石墨烯, (c)C=O化石墨烯, (d)石墨氮, (e)吡啶氮以及(f)吡咯氮。

图5. (a)CP1N3-700//Zn在2 M ZnSO4 中的CV曲线, (b)GCD曲线, (c)不同扫描速率下的非扩散贡献面积和(d)相应的百分比, (g)Ragone图和(h)循环稳定性; (e)CP1-700//Zn在2 M ZnSO4中的非扩散贡献面积和(f)相应的百分比; (i)由CP1N3-700//Zn纽扣电池供电的湿度计数码照片。

3 小结

研究通过实验和理论相结合的方法证明，膨化压力、碳化温度和氮掺杂对膨化大米衍生多孔碳材料的比表面积和孔隙结构有很大影响。膨化过程增强了大米的孔隙结构，使其比表面积达到1157.66 m2 g-1，通过氮掺杂，比表面积进一步增加到1651.85 m2 g-1。DFT计算表明，氮掺杂能有效提高对Zn2+的吸附能力。CP1N3-700的高比表面积和相互连接的多孔网络结构有利于离子的高效传输，并为Zn2+的储存提供了丰富的活性位点，从而提高了ZHSC的整体性能。这项研究凸显了生物质衍生碳材料作为高性能储能设备的可持续发展和成本效益的潜在用途。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.jaap.2024.106906

团队介绍

杨超，男，博士，教授，博士生导师，广西高校天然与生命高分子材料重点实验室主任。主要从事电化学储能材料、可穿戴器件、防护材料的教学和研究工作。先后主持国家自然科学基金 3 项，广西重点研发项目及自然科学基金项目 6 项，企业委托横向课题等多项。近年来，已在 Carbon Neutralization, Applied Surface Science ， Electrochimica Acta ， Journal of Alloys and Compounds ， Colloids and Surfaces A 等国际期刊以第一作者或通讯作者发表 SCI 论文 50 余篇，授权发明专利 6 项。

臧利敏 ，女，博士，副研究员。广西高校“百人计划”引进人才，入选广西高层次人才(E类)。本科、硕士毕业于兰州大学化学化工学院，博士毕业于日本秋田县立大学系统科学学部。主要从事可穿戴高分子材料、水系储能材料等方面的教学和研究。近年来，主持国家自然科学基金1项，广西自然科学基金3项，企业横向多项。在 JMC A, Small, ACS AMI, Cellulos等国际学术刊物上发表SCI论文40余篇，授权发明专利4项。

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