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材料院:钟文斌教授团队在超级电容器领域取得一系列新进展

来源:宣传部 时间:2019-09-10 12:45 点击:

继Journal of Materials Chemistry A (IF=10.73)报道了题为“A new strategy for anchoring functionalized graphene hydrogel in carbon cloth network to support lignosulfonate/polyaniline hydrogel as integrated electrodes for flexible high areal-capacitance supercapacitor”的研究成果后,钟文斌教授课题组在超级电容器领域又取得了一系列进展。

生物质具有来源广泛、价格低廉、环境友好和可再生等优点,可作为碳源制备超级电容器电极材料。天然的多酚类生物质单宁酸含有丰富的多酚结构,可通过醌/氢醌氧化还原转变储存电荷,因此具有优异的电活性。然而单宁酸几乎不导电,无法直接作为电极应用于超级电容器领域。本课题组利用简单的水热组装,并且通过引入不同金属离子对形貌进行调控,成功制备了形貌可调的高电化学性能的电活性生物质/石墨烯复合电极材料。采用此复合电极材料组装的超级电容器表现出优异的循环稳定性和能量密度,在可持续能源存储设备领域中有良好的应用前景。

电活性生物质/石墨烯复合材料的微观形貌及电化学性能图

生物炭(biochar)是以生物质为原料经低温(通常<500℃)热解或者水热碳化制备而成。其制备过程简单,产率高,具有丰富的官能团(如-C-O,–C–O,–COOH,–NH2和–OH等)且易于表面修饰,可应用在诸多领域。然而生物炭的导电性能较差,鲜有研究将生物炭用于能源储存领域。我们以造纸废料木质素磺酸钠、氧化石墨烯和对苯二胺为原料,经简单的蒸发和低温炭化过程成功合成了高导电性能的致密生物炭基材料。该生物炭具有高氮含量(14.3 at.%)和密度(1.98 g cm-3),表现出优异的质量比电容(480 F g-1)和体积比电容(950 F cm-3)。

生物炭的微观形貌及电化学性能图

通过对多孔炭的微观形貌、比表面积、石墨化程度、氮种类和含量的大范围调控,实现电化学性能的大幅提升是发展高性能超级电容器炭电极的关键。我们从结构和形貌设计出发,采用含氮杂环化合物联吡啶和具有环外氮的芳香胺为双有机配体,Co2+或Ni2+作为金属离子构建双配体金属-有机配位聚合物。本研究表明以双配体金属-有机配位聚合物为前驱体制备多孔炭材料,通过调整有机配体和金属离子的种类及炭化条件可以实现对多孔炭微观形貌、比表面积、石墨化程度、氮种类和含量的综合调控。基于双配体-金属有机配位聚合物衍生炭的超级电容器表现出优异的电化学性能。本研究对双配体金属-有机配位聚合物的设计与合成,以及基于双配体金属-有机配位聚合物制备高电化学性能的多孔炭提供了指导。

双配体金属-有机配位聚合物衍生炭制备过程示意图及其微观形貌、电化学性能图

上述研究成果先后以“Synthesis of morphology-tunable electroactive biomass/graphene composites using metal ions for supercapacitors”、“Nitrogen-enriched compact biochar-based electrode materials for supercapacitors with ultrahigh volumetric performance”、“Biligand metal-organic coordination polymer to prepare high N-doped content and structure controllable porous carbon with high-electrochemical performance”为题分别发表在《Nanoscale》、《Journal of Power Sources》、《Electrochimica Acta》上,通讯作者均为钟文斌教授。

来源:材料院

实习编辑:金理琦

责任编辑:文亦佳

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